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Titanzerspanung

Optimierte Werkzeuge stellen Schlüssel für wirtschaftlichere Bearbeitung dar

18.06.2008 | Autor / Redakteur: Berend Denkena, Jens Köhler und Jan H. Dege / Frank Fladerer

Titan setzt sich als Werkstoff im Flugzeugbau immer mehr durch. Auf die Maschinen und Werkzeuge kommen damit neue Herausforderungen zu, um die Wirtschaftlichkeit der Titanzerspanung zu erhöhen. Bild: IFW Hannover
Titan setzt sich als Werkstoff im Flugzeugbau immer mehr durch. Auf die Maschinen und Werkzeuge kommen damit neue Herausforderungen zu, um die Wirtschaftlichkeit der Titanzerspanung zu erhöhen. Bild: IFW Hannover

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Leibniz Universität Inst. für Fertigungstechnik u. Werkzeugmaschinen (IFW)

In neuen Flugzeugen wird immer mehr Titan eingesetzt, denn dieser Werkstoff verbindet eine hohe spezifische Festigkeit mit einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit. Der weiten Verbreitung dieses Werkstoffs stehen aktuell noch sehr geringe Zeitspanvolumina entgegen. Durch eine gezielte Auslegung der Werkzeuggeometrie konnte am IFW in Hannover das Zeitspanvolumen um mehr als 300% gesteigert werden.

Der Anteil von Titan am Strukturgewicht wird in den Flugzeugen der nächsten Generation, wie der Boeing 787 oder dem Airbus A350 XWB, mehr als 15% des Konstruktionsgewichts betragen und damit etwa doppelt so viel wie bei aktuellen Flugzeuggenerationen (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

Der Hauptgrund für diese Entwicklung liegt in der zunehmenden Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). So führt CFK beispielsweise in Verbindung mit Aluminiumlegierungen durch den elektrochemischen Potenzialunterschied zu Korrosion.

Eine Kombination von CFK und Titan reduziert hingegen diese Potenzialdifferenz auf ein Fünftel. Aufgrund seiner Materialeigenschaften, wie der hohen spezifischen Festigkeit und geringen thermischen Leitfähigkeit, eignet sich Titan hervorragend für den Einsatz in der Luftfahrt.

Der Einsatz großer Strukturbauteile aus Titan ist derzeit in Planung und stellt eine neue Herausforderung für die Zerspanung dar. Ein Beispiel hierfür ist der obere Flügelgurt des Boeing 787 Dreamliner, der eine Zerspanrate von rund 95% aufweist (Bild 2).

Zeitspanvolumen bei Titan blieb bisher niedrig

Außer den hohen Kosten des Rohmaterials führt das geringe erreichbare Zeitspanvolumen in Titan zu langen Bearbeitungszeiten und damit zu hohen Bauteilkosten. Während durch Fortschritte bei der Aluminiumzerspanung beispielsweise das Zeitspanvolumen in der Zeit von 1996 bis 2006 mehr als verdreifacht werden konnte – von rund 2000 auf rund 7000 cm3/min – blieb das Zeitspanvolumen bei der Titanzerspanung bei etwa 50 cm3/min auf einem konstant niedrigen Niveau. Der verstärkte Einsatz dieses Materials im Flugzeugbau erfordert daher auch eine deutliche Steigerung des Zeitspanvolumens.

Für das Schruppfräsen von Titan werden oft Fräswerkzeuge aus HSS (High Speed Steel) verwendet, die aufgrund ihrer hohen Elastizität große Zahnvorschübe ermöglichen. Diese Werkzeuge lassen sich jedoch wegen der geringen thermischen Belastbarkeit nur bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten einsetzen.

Hartmetallwerkzeuge ermöglichen zwar höhere Schnittgeschwindigkeiten, allerdings werden heute noch immer Werkzeuggeometrien verwendet, die für die Bearbeitung von Aluminium ausgelegt sind. Bisher gibt es keine Werkzeuggeometrie, die speziell für das Hochleistungsfräsen von Titan konzipiert wurde. Im Allgemeinen werden für diesen Prozess scharfkantige Schneiden mit großen Freiwinkeln gewählt.

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