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.  

The machine concept significantly affects the tool geometry. CNC applications on machining centres or portal machines are characterised by a high rigidity and stable machine control. As a result, the tool is very well guided in the bore. Applications with drill feed units, robots or hand-held machines are less stable and require tools with additional stabilising features for high accuracies.

Another special feature of drill feed units are the so-called “nose pieces”, also called guide bushes. The chips are removed above the tool through the long and narrow guide bushes up to a suction channel that is located at the end of the guide bush. To be able to remove the chips, long chip spaces are required that must be correctly dimensioned and adapted.

The bores at the outer skin (fuselage and wing) are drilled with portal machines or robots. The inaccessible drill machining steps, mainly in final assembly, are then drilled with drill feed units or with hand-held drills.

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.

Für die Trockenbearbeitung der Schichtverbundwerkstoffe aus unterschiedlichen oder gleichen Aluminiumlegierungen, hat MAPAL einen Bohrer mit Senkstufe entwickelt. Durch spezielle Geometriemerkmale hält das Werkzeug die Gratbildung gering. Zudem erreicht der Bohrer eine verbesserte Zentrierung. Die Beschichtung des Werkzeugs verhindert die Bildung einer Aufbauschneide an der Schneidkante. Speziell ausgeformte Spannuten stellen die optimale Spanabfuhr sicher. Gekühlt wird mit Luft, was sowohl die Überhitzung an der Werkzeugschneide als auch die des Aluminiums und damit die Gratbildung verhindert. Zudem werden mit der Pressluft die Späne ausgeblasen. 

• Einsatzort: Längsnaht im hinteren Hauptfeld
• Durchmesser: 4,748 mm
• Senkstufe: 100°
• Drehzahl: 2.959 min-1
• Vorschub: 0,154 mm
• Standzeit: 1600 Bohrungen
• Toleranz: 4,73-4,805 mm

Um Schichtverbundwerkstoffe aus CFK und Aluminium prozesssicher zu bearbeiten, hat MAPAL ebenfalls einen Bohrer mit Senkstufe zur Trockenbearbeitung entwickelt. Die spezielle Geometrie des Werkzeugs sorgt dafür, dass die entstehende Bearbeitungswärme nicht an das Bauteil abgegeben wird. Zudem werden weder das Bauteil noch die Arbeitsumgebung durch Kühlmittel verschmutzt. Der zweischneidige Bohrer aus Vollhartmetall vereint die Eigenschaften eines Bohrers zur Bearbeitung von Aluminium mit denen eines Bohrers zur CFK-Bearbeitung. Durch die speziell ausgeführten Spanräume ist die prozesssichere Abfuhr der Späne sichergestellt. Da CFK ein extrem abrasiver Werkstoff ist, ist der Bohrer diamantbeschichtet. Damit wird gegenüber einem unbeschichteten Bohrer die achtfache Standzeit erreicht.

Das Bohr-Senk-Werkzeug zur Trockenbearbeitung von CFK-Alu-Kombinationen ist erfolgreich bei Kunden im Einsatz. Es wird mit einer Drehzahl von 5.000 min-1 und einem Vorschub von 0,1 mm gearbeitet. Das Werkzeug überzeugt in der Praxis nicht nur durch die erreichten Ergebnisse hinsichtlich Prozesssicherheit, Standzeit und Bearbeitungsergebnis, sondern auch durch den ruhigen Bohrprozess.

Unterschiedliche Materialkombinationen, die engen Toleranzvorgaben sowie die geringe Maschinenführung stellen die Werkzeughersteller vor große Herausforderung. Im Hinblick auf die automatisierte Fertigung durch Roboter gewinnt zudem die Trockenbearbeitung in der Luftfahrt immer mehr an Bedeutung. In enger Zusammenarbeit mit führenden Flugzeugherstellern hat MAPAL diese Herausforderungen gemeistert und innovative Bohr-Senk-Werkzeuge zur prozesssicheren Trockenbearbeitung von Schichtverbundwerkstoffen aus CFK-Aluminium und Aluminium-Aluminium entwickelt. Die gezielte Auslegung der Werkzeuggeometrien im Hinblick auf Werkstoffkombination, Maschinenkonzept und Bohrprozess ermöglicht in der Praxis eine signifikante Erhöhung der Prozessfähigkeit sowie der Standzeit der Werkzeuge. Bohrungen außerhalb der Toleranz sowie Defekte an Bohrungsein- und -austritt gehören damit der Vergangenheit an.