Complex aircraft component for maximum performance
Co-engineering by bavius and MAPAL
As part of a joint project, MAPAL and machine manufacturer bavius designed and manufactured a demonstration part for the aerospace industry. The aluminium component, measuring approximately three by one metres, is based on a real rear spar from aircraft manufacturing enhanced with a variety of complex features. Besides its complexity, the component is also impressive due to the relatively short machining time of ten hours thanks to the productivity of the bavius AeroCell and the special MAPAL tools used for aluminium machining.
bavius technologie, based in Baienfurt in Southern Germany, is specialised in the high-speed volume machining of structural components made of aluminium, which are typically required in the aerospace industry for wings and fuselages. Previously known as Handtmann A-Punkt Automation, bavius has been active as an independent family business since 2017, concentrating on two product lines: HBZ and AeroCell horizontal machining centres and the PBZ profile machining centres. With around 120 employees, bavius generates more than 80 per cent of its turnover in the aerospace industry. As an OEM or supplier, their customers produce components for commercial and military applications. Components for satellites or rockets like the Ariane 6 are also produced on their machines.
Most bavius machines are located in Europe, but they are also strong in North American and Asian markets. While the company has offices in the United States, production for all markets worldwide exclusively takes place in Baienfurt in two air-conditioned halls with a production area of approximately 10,000 square metres.
A particular strength of bavius’s five-axis machining centres is that they are extraordinarily dynamic, which ensures high productivity during high-speed machining. To get every last drop of productivity out of their machines, bavius manufactures its own milling heads. The flagship of their product range is the bavius AeroCell 160 | 400 with a spindle power of 140 kW and top speeds of 30,000 rpm. The 140 kW are already reached at 18,000 rpm, i.e. the maximum power is available over a wide range of speeds. “When we do something, we make sure it’s done excellently – we are global technology leaders with our AeroCell 160 | 400”, says Dominik Merz, Director Global Sales.
Das Rear Spar wurde als Musterbauteil ausgewählt, weil es sehr gut auf die Maschine mit ihren 1,6 Metern Tischhöhe und 4 Metern Breite passt. Dieser hintere Holm ist ein typisches Strukturbauteil in den Flügeln. Zwischen Rear Spar und Front Spar verlaufen Rippen, die rechtwinklig zu den Holmen angeordnet sind. Die Strukturbauteile definieren die Geometrie der Tragfläche, die Außenhaut ist darauf aufgenietet. Das fertige Bauteil aus Flugzeugaluminium 7075 misst genau 2977 x 748 mm. Typisch für Flugzeugteile ist die flache Form mit 138 mm Höhe. Von gut einer Tonne Ausgangsgewicht bleiben nach der Zerspanung gerade noch 70,61 kg übrig – auch dieses Verhältnis ist im Aerospace-Bereich nicht unüblich.
Schon allein aus rechtlichen Gründen konnten bavius und MAPAL für die Bearbeitung kein reales Bauteil eines Flugzeugherstellers verwenden. Das gab den Verantwortlichen aber gleichzeitig die Freiheit, das Design entsprechend für eine Vielzahl weiterer Applikationen zu nutzen. Damit ist das Demonstrationsobjekt weit komplexer als jedes reale Rear Spar und enthält auch Applikationen, die nicht unbedingt diesem Bauteil zuzuordnen sind, wohl aber an anderen Bauteilen verlangt werden können. „Ein Kunde, der sich mit Strukturbauteilen auskennt und unser Bauteil sieht, erkennt sich da wieder und findet Merkmale, die auch in den eigenen Bauteilen enthalten sind“, begründet Dominik Merz dieses Vorgehen.
Die Bearbeitung fand in Baienfurt in zwei Aufspannungen statt. Setup 1 erfolgte in Niederzugspannung, im Setup 2 sorgte Vakuumtechnik für sicheren Halt. Die Vorderseite sieht auf den ersten Blick einfacher aus als sie tatsächlich ist. Die Fläche ist nicht eben, sondern biegt sich leicht konvex über einen Radius von 9,5 m. Damit kann man das Bauteil nicht einfach planfräsen, sondern muss Fünf-Achs-Bearbeitung nutzen. Zum Schruppen und Schlichten setzte MAPAL auf den NeoMill-Alu-QBig mit 50 mm Durchmesser und den OptiMill-Alu-Wave mit 25 mm Durchmesser. Das Oberflächenfinish führte ein PKD-Sonderfräser durch.
Taschen in allen Formen
Besonders anspruchsvoll gestaltete sich die Bearbeitung der Rückseite, die in neun verschiedene Sektionen mit jeweils besonderen Applikationen untergliedert ist. Wie jedes Rear Spar weist das Musterbauteil viele Taschen auf, hier allerdings in allen erdenklichen Formen ausgestaltet: rechteckig, dreieckig, rund, offen, geschlossen, teilweise mit schrägem oder gewölbtem Boden. Die Stege sind sehr dünn, Wandungen überwiegend schräg. Die Taschen haben eine Tiefe von bis zu 137 mm.
Nach der Vorbearbeitung durch den NeoMill-Alu-QBig kam zum Ausräumen der Taschen ein OptiMill-Alu-Wave in verschiedenen Längen zum Einsatz. Das Semi-Schlichten übernahm ein speziell für Luftfahrtanwendungen modifizierter Eckfräser. Dank seiner besonderen Geometrie eignet sich das Werkzeug insbesondere zur Restmaterialbearbeitung der Ecken sowie zum anschließenden Schlichtfräsen der Böden und Wände. Der spezielle Kernanstieg sichert dabei optimale Stabilität im Zerspanungsprozess. Um alle Bereiche effizient zu bearbeiten, setzten die MAPAL Spezialisten den modifizierten Eckfräser in verschiedenen Durchmessern und Längen ein.
Wie auch in der Programmierung bei MAPAL auf Effizienz geachtet wurde, beschreibt Komponentenmanager Alexander Follenweider: „Wir arbeiten mit einer Zickzack-Strategie im Gleichlauf und Gegenlauf, um Wege zu sparen. Während der Bearbeitung wird also die Strategie ständig gewechselt.“ Trotz hoher Bearbeitungsgeschwindigkeiten dürfe das Aluminium nicht beschädigt werden, da es bei Überhitzung seine Eigenschaften verändert.
Der OptiMill-Alu-Wave wurde bei 29.000 Umdrehungen, einer Schnitttiefe von 48 mm und einem Vorschub von 12 m/min in der Spitze gefahren. Der größere NeoMill-Alu-QBig erreichte bei 10 mm Schnitttiefe einen Vorschub von über 25 m/min. Allein in den ersten 55 Minuten der Bearbeitung der zweiten Aufspannung wurden 425 kg Aluminium zerspant, in der Spitze kam man auf ein Spänevolumen von mehr als 14 l/min. „Das sind hervorragende Werte, die wir hier erreichen konnten – und wir haben dabei auch sehr gute Oberflächen erzeugt“, würdigt Stefan Diem, Anwendungstechniker bei bavius, die Ergebnisse.
Nichts ist Standard
Die verschiedenen Taschen sind nicht die einzigen Herausforderungen an dem Bauteil: Die Bohrungen an vier Laschen sind nur mit einem Winkelkopf zugänglich. An anderen Stellen sind Hinterschnitte erforderlich. Auch ein für Strukturbauteile typischer, sogenannter T-Stiffener zur Aussteifung, ist am Musterteil vorhanden und wird mit einem PKD-Sonderwerkzeug bearbeitet. Auch Bohr- und Reiboperationen sind in bestimmten Bereichen verlangt. „An unserem Bauteil ist nichts normal“, kommentiert Dominik Merz den Umstand, dass praktisch nirgendwo ein rechter Winkel zu finden ist. Solche schrägen Konstruktionen seien aber ganz typisch für den Aerospace-Bereich.
Für Kundenpräsentationen bei den beteiligten Partnern und als Eyecatcher auf Messen wurden in Baienfurt fünf dieser Rear Spars hergestellt. Die Zerspanung eines Teils dauert insgesamt ziemlich genau 10 Stunden, womit die Projektbeteiligten hochzufrieden sind. „Auf anderen Maschinen läuft so ein Bauteil gerne 20 bis 30 Stunden“, schätzt Merz. Klassischerweise werden Strukturbauteile auf vertikalen Gantry-Maschinen mit großen Werkzeugen bearbeitet, typisch sind Messerköpfe mit Durchmessern von 125 mm. Vorschub und Drehzahl bleiben dabei niedrig. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass Späne liegen bleiben und Kratzer verursachen können. Zudem kommt es zu einem Wärmeeintrag ins Bauteil. Die Horizontalbearbeitung schließt das aus. In Verbindung mit leistungsfähigen Werkzeugen, die hohe Schnittwerte erlauben, öffnet die dynamische AeroCell 160 I 400 mit ihrer extremen Beschleunigung ganz neue Möglichkeiten.
Enge Zusammenarbeit
MAPAL und bavius pflegen seit vielen Jahren eine sehr intensive Zusammenarbeit, von der beide Seiten profitieren. Als MAPAL den NeoMill-Alu-QBig und den OptiMill-Alu-Wave entwickelte, konnten bereits Prototypen der neuen Werkzeuge in Baienfurt getestet und weiter optimiert werden. Über ähnlich leistungsstarke Maschinen verfügt der Werkzeughersteller in Aalen selber nicht. Andererseits ist auch bavius auf innovative Werkzeuge angewiesen, wie Stefan Diem erläutert: „Für unsere Premiummaschine brauchen wir Top-Werkzeuge von einem Anbieter wie MAPAL mit seinen Hochvolumenfräsern, die unsere Maschine ans Limit bringen. Mit Universalwerkzeugen funktioniert das nicht, da gewinnen wir keine Erkenntnisse.“ Im Zusammenspiel hatten die Partner vor zwei Jahren demonstriert, was die AeroCell 160 kann. Im Testbetrieb mit Überlast schaffte der Vollhartmetallfräser OptiMill-Alu-Wave dabei ein Spanvolumen von bis zu 20 l/min beim Vollnutfräsen in normalem Aluminium. Der jetzt erreichte Spitzenwert von 12 l/min bei einem Bauteil aus dem zugfesteren AL 7075 steht dem in nichts nach.
„Ich schätze die Zusammenarbeit mit MAPAL sehr, weil man offen und fair miteinander redet, und wir immer eine Lösung präsentiert bekommen“, unterstreicht Stefan Diem. Für Jens Ilg, Business Development Aerospace & Composites bei MAPAL, hat der gemeinsame Erfolg auch einen persönlichen Aspekt: „Ich bekomme auch ein optimales Gefühl für unsere eigenen Produkte, wenn ich sie unter den realen, erforderlichen Bedingungen eingesetzt habe. Und kann sie dann mit den entsprechenden Empfehlungen einem Kunden anbieten.“
MAPAL bietet nun mehrere Z4 Längenvarianten des OptiMill-HPC-Pocket für die wirtschaftliche Bearbeitung von Stahl, rostfreiem Stahl, Gusseisen und Aluminium
In der aktuellen Ausgabe des Technologie-Magazins IMPULSE geht es neben der Verschmelzung der deutschen Standorte im Schwerpunkt um den Bereich Aerospace.
