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.
Die bavius technologie gmbh in Baienfurt hat sich auf die Hochgeschwindigkeits-Volumenzerspanung von Strukturbauteilen aus Aluminium spezialisiert, wie sie typischerweise im Bereich der Luftfahrt für Flügel und Rumpf benötigt werden. bavius (früher Handtmann A-Punkt Automation) agiert seit 2017 als eigenständiges, familiengeführtes Unternehmen und konzentriert sich auf zwei Produktlinien: Profil-Bearbeitungszentren (PBZ) und Horizontale Bearbeitungszentren (HBZ) mit der Baureihe AeroCell. Mit aktuell rund 120 Mitarbeitern generiert bavius mehr als 80 Prozent seines Umsatzes in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Als OEM oder Zulieferer produzieren deren Kunden Bauteile für die kommerzielle und militärische Anwendungen. Auch Komponenten für Satelliten oder Raketen wie die Ariane 6 werden auf den Maschinen gefertigt.
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.
All sorts of pockets
The machining of the back is particularly sophisticated. It is separated in nine different sections, each with its own special features. Like any rear spar, the demonstration part has many pockets. They are however completed here in all sorts of forms: rectangular, triangular, round, open, closed, some with inclined or curved bottoms. The ribs are very thin; the walls are mostly inclined. The pockets are up to 137 mm deep.
After pre-machining with the NeoMill-Alu-QBig, the pockets are cleared out by an OptiMill-Alu-Wave of various lengths. The semi-finishing is performed by a shoulder milling cutter modified specifically for aerospace applications. Thanks to its special geometry, the tool is particularly suitable for machining residual material in the corners as well as subsequent finish milling of the floors and walls. The special core rise ensures optimal stability during the machining process. To machine all the areas efficiently, MAPAL experts use different diameters and lengths of the modified shoulder milling cutter.
MAPAL also sets great store by efficiency during programming, as component manager Alexander Follenweider explains: “We work with a zigzag strategy in the parallel and counter feed to save on travel time. We thus constantly switch strategies during machining.” Despite the high machining speeds, the aluminium may not be damaged as it changes properties when overheated.
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.
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.
