Trockenbearbeitung von Schichtverbundwerkstoffen im Flugzeugbau

Hochfeste und gleichzeitig leichte Materialien sind in der Luftfahrt von zentraler Bedeutung. Durch neue Materialkombinationen können Flugzeugbauer das Gewicht senken, die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit erhöhen sowie eine Vereinfachung der Montage durch integrative Bauweise erreichen. Während Strukturbauteile aus Aluminium, Titan oder hochfesten Stählen auf Bearbeitungszentren oder Portalmaschinen bearbeitet werden, bearbeiten die Mitarbeiter in der Endmontage die Bauteile meist mit handgeführten Maschinen, Bohrvorschubeinheiten oder mithilfe von Robotern. 

Deshalb unterscheiden sich die Anforderungen an die Werkzeughersteller und Werkzeuge für die Endmontage maßgeblich von denen für die Teilefertigung. Die bearbeiteten Bauteile in der Teilefertigung haben einen Wert von rund 1.000 bis 50.000 Euro haben. Die Bauteile in der Endmontage sind, abhängig vom Montagefortschritt, mit einem Wert von etwa 50.000 bis 2.000.000 Euro schon deutlich kostenintensiver. Die Flugzeugbauer müssen fehlerhafte Bearbeitungen entweder aufwendig und kostspielig manuell nacharbeiten oder die Bauteile komplett ersetzen. Aus diesem Grund wählen sie ihre Lieferanten für die Endmontage sehr gewissenhaft aus.

Eine Herausforderung für Werkzeughersteller ist die Vielfalt der Werkstoffe, besonders wenn die Werkzeuge gleichzeitig mehrere Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften bearbeiten müssen. Die Werkzeuge müssen dazu in der Lage sein, alle Materialien prozesssicher und wirtschaftlich zu bearbeiten. Nur dann erhalten Werkzeughersteller die sogenannte Qualifikation bei einem Flugzeughersteller. Der Qualifikationsprozess dauert in der Regel zwischen einem und fünf Jahren. Zudem stellen die Flugzeughersteller bestehende Prozesse nur in Ausnahmefällen um. Denn sie müssen ihrerseits sicherstellen, dass die Qualität aller Bearbeitungen konstant ist. Beispielsweise müssen sie bei Bohrbearbeitungen in der Endmontage eine geringe Streuung der Bohrungsdurchmesser, ein CpK-Wert größer 1,7, gewährleisten. 

Flugzeughersteller nutzen für die Verbindung der Außenhaut mit den darunterliegenden Strukturbauteilen Nietverbindungen. Hierzu bringen die Mitarbeiter in der Endmontage unzählige Bohrungen ein. Um einen möglichst geringen Widerstand gegen Strömung zu erhalten (niedriger cW-Wert), werden die Nietköpfe in der Außenhaut versenkt. Deshalb ist am Bohrungseintritt eine zusätzliche Senkung erforderlich. In der Vergangenheit haben Flugzeugbauer dafür oft ein Prozess mit bis zu vier Einzelbearbeitungen eingesetzt - Vollbohren, Aufbohren, Reiben, Senken. Heute ist nur noch ein Schritt nötig - Bohrung und Senkung erledigen die entsprechenden Werkzeuge in nur einem Arbeitsschritt. Dadurch können auch Roboter diese Aufgabe automatisiert übernehmen. 

Bisher nutzten die Flugzeughersteller für diese Bearbeitung in der Regel die Minimalmengenschmierung (MMS). Allerdings mussten die Mitarbeiter die Bauteile nach der Bearbeitung demontieren, reinigen und erneut montieren. Zudem gelangte der Schmierstoff in den Innenraum des Flugzeugs, wo Mitarbeiter parallel weitere Montageschritte durchführten. Die Forderung nach Werkzeugen zur Trockenbearbeitung verschiedener Schichtverbundwerkstoffe war die Konsequenz.

Die Trockenbearbeitung läuft vollständig ohne den Einsatz eines Kühlschmierstoffs ab. Kühlschmierstoffe dienen in erster Linie dazu, die Wärme abzuführen und die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück zu reduzieren. Zudem unterstützen sie den Abtransport der Späne. Wird auf Kühlschmierstoff verzichtet, müssen die Werkzeuge diese Aufgaben übernehmen. Daraus ergeben sich die zentralen Herausforderungen an die Werkzeuge, wenn die Flugzeugbauer ihren Bohrprozess auf die Trockenbearbeitung umstellen: 

• Wärme abführen
• Wärmeentwicklung vermeiden
• Späne abtransportieren

 Wird die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt, steit die Temperatur auf einen zu hohen Wert und das Material wird beschädigt. So führt beispielweise ein zu hoher Wärmeeintrag bei faserverstärktem Kohlenstoff dazu, dass das verwendete Harz verbrennt. Dadurch wird das Material spröde. Bei Aluminium bildet sich ein höherer Grat. 
 

Im Gegensatz zu einem mehrstufigen Bohrprozess muss das Kombinationswerkzeug beim Bearbeiten alle Arbeitsschritte (Vollbohren, Aufbohren, Reiben und Senken) übernehmen. Es fertigt die Bohrung für die Nietverbindung in einem Schritt. Damit ist zum einen die Position der Bohrung und zum anderen die Flucht zwischen dem zylindrischen Teil der Bohrung und der Senkung gewährleistet. Ein Winkelfehler oder Versatz wie bei mehrstufigen Operationen ist ausgeschlossen. 

Qualitätsmerkmale der Bohrung:

• Durchmesser
• Übergangsradius
• Senkwinkel

Neben diesen Qualitätsmerkmalen spielt der Austrittsgrat eine große Rolle. Sollte sich bei einer mehrstufigen, manuellen Bohrbearbeitung, am Bohrungsaustritt ein Grat gebildet haben, so kann der Mitarbeiter diesen ohne großen Aufwand mit Hilfe eines Kegelsenkers entfernen. Läuft der Prozess allerdings automatisiert in nur einem Schritt ab, ist ein manuelles Entgraten nicht möglich. Daher muss das entsprechende Werkzeug in der Lage sein, nahezu gratfrei zu bohren. Die Flugzeugbauer geben hier in der Regel eine maximale Grathöhe von 0,1 mm vor. Zum Grat am Bohrungsaustritt kommt der interlaminare Grat zwischen den Lagen. Bildet sich dieser, müssen die Mitarbeiter des Flugzeugbauers den Schichtverbund am Ende der Bohroperationen demontieren, um den interlaminaren Grat zu entfernen. Diese Demontage ist zeitaufwendig und kostenintensiv, daher darf auch dieser Grat erst gar nicht entstehen.  

Das Maschinenkonzept beeinflusst maßgeblich die Werkzeuggeometrie. CNC-Anwendungen auf Bearbeitungszentren oder Portalmaschinen zeichnen sich durch hohe Steifigkeit und stabile Maschinenführung aus. Das Werkzeug wird dadurch sehr gut in der Bohrung geführt. Anwendungen mit Bohrvorschubeinheiten, Robotern oder Handbohrmaschinen sind weniger stabil und erfordern für hohe Genauigkeiten und damit Werkzeuge mit zusätzlichen Stabilisierungsmerkmalen.  

Eine weitere Besonderheit beim Einsatz von Bohrvorschubeinheiten sind die sogenannten „Nosepieces“, auch Führungsbuchsen genannt. Durch eine lange schmale Führungsbuchse transportiert das System die Späne über das Werkzeug ab. Das Ziel der Späne ist ein Absaugkanal am Ende der Führungsbuchse. Damit dieser Prozess funktioniert, sind lange Spanräume notwendig. Der Werkzeughersteller muss diese richtig dimensionieren und an die jeweilige Bearbeitung anpassen.

Für die Bohrungen an der Außenhaut (Rumpf und Flügel) setzen Flugzeugbauer meist Portalmaschinen oder Roboter ein. Die unzugänglichen Bohrbearbeitungen, hauptsächlich in der Endmontage realisieren die Mitarbeiter dann mit Bohrvorschubeinheiten oder mit Handbohrmaschinen gebohrt.

Along with the process and machine concept, the materials used have a significant influence on the tool design. Each material places individual requirements on the tool and process parameters. The selection of the individual material combinations in aircraft construction depends on the loads that act on the part during flight operation. There is also generally always a focus on reducing weight.

The outer skin and ribs of the latest generation of aircraft consist primarily of a composite made of CFRP and aluminium. In addition,  combinations made of different aluminium alloys or CFRP titanium are often used in the aerospace sector. The dimensional accuracy of the bores in this composite material is crucial. The bore must feature exactly the same diameter in both materials of the respective combination. In principle drilling always takes place from the outside to the inside. For example, the bore entrance and the countersinking is in the outer skin that consists of CFRP when machining CFRP/ aluminium, and the bore outlet is in the structure underneath that is designed in aluminium. During the individual machining of CFRP and aluminium materials, the geometries of the tools as well as the cutting data are fundamentally different.

In contrast for CFRP-titanium combinations, tools with a cutting edge that is sufficiently stable are required to withstand the ductile titanium and simultaneously have the appropriate sharpness to cut the CFRP. Whether merely one boring process suffices to produce a bore or whether the bore must be subsequently reamed depends on the required bore tolerance for this material combination.

Tools for drilling composite materials made of different aluminium alloys, for example 7050 and 2024, do not need a wear-inhibiting coating. This is because the grades of aluminium used in aircraft construction contain no or very little silicon and can therefore be drilled virtually without wear. This multilayer composite is significantly different to composites that contain CFRP when machining.

Tools that are used for material combinations that contain CFRP are generally provided with a diamond layer. This counteracts the abrasion of the CFRP and enables long tool lives. Regrinding these tools is not possible as the diamond layer used has a very high hardness.

To ensure process reliability during machining, attention must be paid to the quality requirement, the material and the process for the design of the tool geometry. As the majority of bores in aircraft are produced with countersinking due to the rivets, the bore outlet is to be assessed more critically to exclude cost-intensive rework. Delamination and fibre projections must be prevented in CFRP material and burr formation in aluminium. Chip removal is also important for machining all individual materials as well as all composite materials.

If perfect chip removal is not ensured, the bore quality for dry drilling is significantly outside the required tolerances. However the biggest challenge for the development of a dry drill is the adaptation of the tool geometry to the unstable machining stable of the drill feed units in combination with cutting parameters and clamping systems (concentric collet).

MAPAL has developed a drill with countersink step for dry machining composite materials made of different or the same aluminium alloys. Burr formation is kept as low as possible and an improved centring is achieved thanks to the special geometry features. The coating of the drill prevents the formation of a built-up edge at the cutting edge. Specially formed chip flutes ensure optimum chip removal. Air is used for cooling, preventing overheating of both the cutting edge and the aluminium and hence burr formation. The compressed air is also used to blow out the chips.

At one aircraft manufacturer, the drill is used i.a. for the bores on the longitudinal seam in the rear main span. A spindle speed of 2,959 RPM and a feed of 0.154 mm are applied here. The drill with its diameter of 4.748 mm and a 100° countersink step reliably produces 1,600 bores before the bores no longer lie within the demanded tolerance of 4.73 - 4.805 mm.

MAPAL has developed a drill with countersink step for dry machining composite materials made of different or the same aluminium alloys. Burr formation is kept as low as possible and an improved centring is achieved thanks to the special geometry features. The coating of the drill prevents the formation of a built-up edge at the cutting edge. Specially formed chip flute ensure optimum chip removal. Air is used for cooling, preventing overheating of both the cutting edge and the aluminium and hence burr formation. The compressed air is also used to blow out the
chips.

At one aircraft manufacturer, the drill is used i.a. for the bores on the longitudinal seam in the rear main span. A spindle speed of 2,959 RPM and a feed of 0.154 mm are applied here. The drill with its diameter of 4.748 mm and a 100° countersink step reliably produces 1,600 bores before the bores no longer lie within the demanded tolerance of 4.73 - 4.805 mm.

To reliably dry machine composite materials made of CFRP and aluminium, MAPAL has also developed a drill with countersink step. The special geometry of the tool ensures that the heat caused by machining is not transferred to the part. In addition, neither part nor work environment is contaminated with coolant. The drill with two cutting edges made of solid carbide combines the properties of a drill for machining aluminium with those of a drill for CFRP machining. Reliable removal of the chips is ensured by the specially designed chip spaces. As CFRP is an extremely abrasive material, the drill is diamond-coated. This means that eight times the tool life is achieved compared with an uncoated drill.

The drilling/countersinking tool for dry machining CFRPaluminium combinations has been successfully used by customers. A spindle speed of 5,000 RPM and a feed of 0.1 mm are applied. The tool impresses not only with regard to process reliability, tool life and machining result, but also because of the steady boring process.

Different material combinations, narrow tolerance specifications and the low machine feed pose great challenges for tool manufacturers. With regard to automated manufacturing using robots, dry machining is also gaining more and more importance in the aerospace sector. In close cooperation with leading aircraft manufacturers, MAPAL has mastered these challenges and developed innovative drilling/countersinking tools for reliable dry machining of composite materials made of CFRP/aluminium and aluminium/aluminium. The specific design of the tool geometry with regard to the material combination, machine concept and drilling process in practice enables a significant increase in process capability as well as the tool lives. Bores outside of the tolerance as well as defects at the bore entrance and outlet are therefore a thing of the past.