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.
Die meisten Maschinen von bavius stehen in Europa, weitere starke Märkte sind Nordamerika und Asien. In den USA unterhält der Maschinenhersteller eine eigene Niederlassung, produziert wird für den weltweiten Markt aber ausschließlich in Baienfurt in zwei klimatisierten Hallen auf einer Produktionsfläche von rund 10.000 Quadratmetern.
Eine besondere Stärke der Fünf-Achs-Bearbeitungszentren von bavius ist deren außergewöhnliche Dynamik, die bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen hohe Produktivität bietet. Um noch die letzte Performance aus den Maschinen herauszukitzeln, stellt bavius seine Fräsköpfe selbst her. Flaggschiff der Produktlinie ist die bavius AeroCell 160 I 400 mit einer Spindelleistung von 140 kW und maximal 30.000 Umdrehungen pro Minute. Dabei werden die 140 kW schon bei 18.000 Umdrehungen erreicht, die maximale Leistung steht also über einen großen Drehzahlbereich hinweg zur Verfügung. „Wenn wir etwas tun, wollen wir es exzellent machen, und mit unserer AeroCell 160 I 400 sind wir weltweit technologisch führend“, versichert Dominik Merz, Director Global Sales bei bavius.
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.
At top speeds, the OptiMill-Alu-Wave achieves a feed of 12 m/min at a cutting depth of 48 mm at 29,000 rpm. The bigger NeoMill-Alu-QBig achieves a feed of 25 m/min at 10 mm cutting depth. Alone in the first 55 minutes of machining of the second clamping, 425 kg of aluminium are thus machined. At its peak, this results in a chip volume of more than 14 l/min. “The results we were able to achieve here are excellent – and we were also able to create very good surfaces in the process”, says Stefan Diem, application engineer at bavius.
Nothing is standard
The various pockets are not the only challenges on the component: The bores on the four lugs can only be reached via an angled head. Undercuts are required elsewhere. A T-stiffener, which is common for structural components and provides rigidity, is also found on the demonstration part and is machined with a special PCD tool. Bore and reaming operations are also called for in certain areas. “Nothing is normal on our component”, Merz says, referring to the fact that you will be hard pressed to find a right angle anywhere on the part. Such oblique constructions are however the norm in the aerospace industry.
For the involved partners’ customer presentations and as an eyecatcher for trade fairs, five of these rear spars are produced in Baienfurt. Much to the satisfaction of all those involved, the machining of a part takes a total of almost precisely 10 hours. “A component like this can take between 20 and 30 hours on other machines”, Merz estimates. Structural parts are usually machined vertically on gantry machines with big tools. Cutter heads with diameters of 125 mm are normal. Feeds and speeds remain low. One disadvantage of this way of doing things is that chips are left behind which can cause scratches. Heat is also transferred to the component. Horizontal machining precludes this. Together with powerful tools that enable high cutting data, the dynamic AeroCell 160 | 400 opens entirely new possibilities thanks to its extreme acceleration.
Close collaboration
MAPAL and bavius have been profiting from their close cooperation for many years. While MAPAL was developing the NeoMill-Alu-QBig and OptiMill-Alu-Wave, they were able to test and further optimise prototypes of the new tools in Baienfurt. As a tool manufacturer, MAPAL doesn’t have equally powerful machines in Aalen. On the other hand, bavius depends on innovative tools, as Diem explains: “For our premium machines, we need top tools by suppliers like MAPAL offering high-volume milling cutters that take our machines to their limits. That doesn’t work with universal tools – we don’t gain any insights with them.” The partners demonstrated what the AeroCell 160 can do two years ago. During test operations with overloading, the solid-carbide milling cutter OptiMill-Alu-Wave achieved chip volumes of up to 20 l/min while full slot milling normal aluminium. The top results achieved here are every bit as impressive: 12 l/min for a component made of the AL 7075 with its higher tensile strength.
“I really appreciate the collaboration with MAPAL because we speak openly and treat each other fairly, and because they always provide a solution”, Diem highlights. For Jens Ilg, Business Development Aerospace & Composites at MAPAL, the shared success also has a personal dimension: “I also get an optimal feel of our own products when I see them being used in real and demanding conditions. And then I can offer them to customers with corresponding recommendations.”
