Technologie aus dem Automobilbau fürs Flugzeug

Die F. Zimmermann GmbH aus Neuhausen auf den Fildern ist heute vor allem für ihre großen Portalfräsmaschinen bekannt. Über 550 Anlagen hat der exportorientierte Maschinenhersteller mittlerweile in 37 Länder der Welt geliefert. Oft stehen sie in den R&D-Abteilungen großer Unternehmen, um dort die gesamte Produktentwicklungskette vom ersten Designentwurf bis zu verschiedenen Stufen von Anschauungsmodellen zu begleiten. „Alles was einmal eine Form erhält, ist zuvor als Urmodell auf einer unserer Maschinen gewesen“, erläutert Steffen Nüssle, Verkaufsleiter Export und Leiter der Anwendungstechnik bei Zimmermann. 

Übliche Materialien für den Modellbau sind Holz, Styropor und Ureol. Der Einstieg von Zimmermann in die Metallbearbeitung vor mehr als 20 Jahren erfolgte mit Aluminium. Das war zugleich der Türöffner für die Flugzeugindustrie. Nach und nach wagte man sich an die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen, Stahl und hochwarmfesten Werkstoffen wie Titan, Waspaloy, Inconel und Invar. Bei diesen Materialien liegt der Fokus nicht mehr auf Modellen und Mustern. Die Aerospace-Industrie nutzt die Portalfräsmaschinen hier als Produktionsmaschinen für die Teile­fertigung.
 

Bei dem Bauteil handelt es sich um eine rund 1,50 m lange Aufhängung. Eine besondere Herausforderung bei der Bearbeitung stellt eine Reihe von zwölf Bohrungen in Laschen dar, die auf einer Länge von 990 mm nacheinander am Werkstück sitzen. Dabei verlangt der Kunde hohe Präzision. Bei einem Bohrungsdurchmesser von 17 mm ist Toleranz H7 vorgeschrieben. Auf der ganzen Länge des Bauteils muss die Konzentrizität der Bohrungen unter 0,05 mm liegen. Die gleiche Genauigkeit wird für die Rechtwinkligkeit der Bohrungslaschen zur Bauteiloberfläche verlangt.

Zimmermann setzte bewusst auf MAPAL als Werkzeugpartner. „Unsere Anwendungstechnik macht bei so einem Turnkey-Projekt keine Kompromisse, da kommen nur sehr gute Systempartner in Frage“, sagt Steffen Nüssle und berichtet von besten Erfahrungen, die er selbst mit dem Werkzeughersteller gemacht habe. 

In zurückliegenden Turnkey-Projekten von Zimmermann ging es um Flügel-Holme für den Airbus A350 sowie um Senkungen und tiefe Bohrungen an Windkraftflügeln aus Glasfaser. Als er bei einem anderen Maschinenhersteller tätig war, hatte Nüssle ebenfalls mit MAPAL zu tun. Dabei ging es um die Bearbeitung der Lagersitze für Kurbel- und Nockenwellen großer Dieselmotoren mittels Line Boring. Mit solchen Reihenbohrstangen hat MAPAL im Automobilbereich sehr viel Know-how aufgebaut. Nun war dieses Know-how auch beim Aerospace-Bauteil gefragt, dessen Laschen sehr an die Stege in der Kurbelwellenlagergasse eines Verbrennungsmotors erinnern. 
 

Ins Grübeln kamen die Projektpartner beim Material für das Bauteil, laut Kunde geschmiedete Rohlinge aus der Titanlegierung TA15m. „Mit Flugzeugtitan kennt sich jeder von uns aus und weiß, worauf er sich einlässt, aber diese spezielle Legierung haben selbst eingefleischte Flugzeugexperten bei uns nicht gekannt“, räumt Steffen Nüssle ein. Auch Jens Ilg, der bei MAPAL im Segment Aerospace & Composites tätig ist, bestätigt: „Das Material war auch für uns exotisch.“ Es stellte sich heraus, dass TA15m ein pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff ist. Das gesinterte Material wird durch einen speziellen Prozess nachverdichtet, wodurch das Werkstück die Charakteristik eines Schmiedeteils erlangt.

Für die Auslegung der Maschine stellte der Kunde keine Rohlinge zur Verfügung. Daher blieb nichts anderes übrig, als von einem Titanbarren auszugehen und die Form des Rohlings mit seinem Aufmaß aus dem Vollen heraus zu fräsen. So wurde das Rohteil imitiert, das beim Kunden Ausgangspunkt der Fertigung werden soll. Allein diese Vorarbeit benötigte eine Bearbeitungszeit von 30 Stunden.
 

Parallel zum Aufbau der Maschine bei Zimmermann in Neuhausen begann MAPAL in Aalen bereits mit Werkzeugtests, für die der Werkzeughersteller eine von Grund auf neu entwickelte Generation an Titanwerkzeugen einsetzen konnte. Um hohe Abtragsraten zu erreichen, hat sich der Walzenstirnfräser NeoMill-Titan durchgesetzt. Die neue Topographie der Wendeschneidplatten hat MAPAL so entwickelt, dass die Späne optimal geformt und abgeführt werden. Ein ebenfalls neues Schneidstoffkonzept minimiert den Verschleiß und die Bildung von Aufbauschneiden. 

Selbst erfahrene Anwendungstechniker waren überrascht, wie ruhig und fast lautlos die Werkzeuge arbeiteten. Auch die Standzeit überzeugte. Die von Bernd Scheurenbrand erwarteten 60 Minuten wurden deutlich übertroffen. „Teilweise waren die Werkzeuge fast sieben Stunden im Eingriff, das ist eine sensationelle Standzeit“, schwärmt der erfahrene Anwendungstechniker von Zimmermann. Dieses Ergebnis wurde möglich unter anderem dank einer modernen Schutzbeschichtung mit guter Haftung am Werkzeug, einer effektiven Temperaturbarriere und einer sehr glatten Oberfläche, die die Hitze in der Schnittzone reduziert.
 

Eine hervorragende Kühlung ist bei der Bearbeitung von Titan essenziell, um die entstehende Wärme abzuführen. Damit der volle Kühlmitteldruck am Fräser anliegt, wurden MAPAL MillChucks als Spannfutter eingesetzt, bei denen die Kühlmittelzufuhr integriert ist. Für den Kühlschmierstoff wählte Zimmermann das Unternehmen Blaser Swisslube als weiteren Projektpartner, dessen Kühlmittel bestens hochdruckgeeignet ist. 

Für Bohrungen seitlich in die Laschen hat MAPAL ein Sonderwerkzeug mit Winkelkopf auf Basis des MEGA-Speed-Drill-Titan entwickelt. Der Bohrer bohrt, entgratet anschließend mit der Senkstufe hinten und zirkuliert dann rückwärts auch noch eine Fase.
 

The 685 mm line boring bar with a diameter of 17 mm, which does the fine machining in the end, has two adjustable inserts and is led between the lugs in guide bushes. The first insert bores the main bore, thus eliminating any offset that might have occurred during pre-machining. The second insert then completes the final diameter in H7 quality. The long boring bar reminds Jens Ilg of a lightsabre: “The swinging motion that positions the tool on the part brings Star Wars to mind.” The gantry machine, a six-axis FZ42 with a VH60 milling head, offers more than enough room for the machine’s spectacular lunges. The working area is 8.50 x 3.90 x 1.50 m large and is separated in an area with a fixed machine table and an area with a round table for further processing.

Transferring the results from MAPAL’s test centre to the machine in Neuhausen was a critical stage of the project, Steffen Nüssle remembers: “After the successful test runs in Aalen, we knew where we were headed. Our gantry machine is a lot bigger than the machining centre in Aalen, has bigger moving masses and lever lengths. Thus, it isn’t quite as rigid.”

The misgivings were quickly allayed: The desired accuracy was achieved with high process reliability in Neuhausen, as well. This was particularly true for the middle of the workpiece, where the bores meet each other from both sides and a small offset could occur. The measured results prove that the machining was symmetrical. Just 8 µm difference was measure here. The line boring process ensures that the precision that is once reached can be reproduced for years to come, as the machine only provides the feed and spindle speed, while the actual geometrical guidance is provided by the fixture.
 

Zimmermann paid close attention to vibration dampening while designing their fixture. The many buckles and clamps however also resulted in many tool restrictions. Here, the machine manufacturer harnessed its expertise in model making to first create a blank out of plastic. “If the first attempt failed, we would have neither damaged the expensive titanium or the tool, let alone the machine,” says Nüssle. But it worked from the get go. Only the cutting parameters had to be adjusted for the first titanium part.

Steffen Nüssle was very impressed by the good cooperation between Zimmermann and MAPAL: “I’ve already been involved in many turnkey developments but have never experienced a project that went as smoothly as this. It was a lot of fun.” The geographical proximity between Neuhausen and Aalen was also a big advantage: They only had to drive an hour to be able to discuss the next steps together right at the machine.