Titan: Drei zentrale Herausforderungen und Lösungsansätze Titanzerspanung prozesssicher machen

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Titan gehört zu den Schlüsselwerkstoffen in der modernen Luft- und Raumfahrtfertigung. Die Kombination aus hoher Festigkeit, geringer Dichte und Hitzebeständigkeit macht den Werkstoff für anspruchsvolle Strukturbauteile wie Flugzeugstrukturen, Triebwerksaufhängungen und Fahrwerkskomponenten unverzichtbar. Zugleich sorgen genau die Eigenschaften, die Titan für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt so wertvoll machen, dafür, dass sich der Werkstoff nur unter hohen Anforderungen prozesssicher zerspanen lässt.

Auf Basis seiner Erfahrung mit Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt hat Ceratizit unter anderem drei eng miteinander verknüpfte Herausforderungen identifiziert, die die Prozesssicherheit massgeblich bestimmen: konzentrierte Hitze an der Schneide, schwer vorhersehbarer Werkzeugverschleiss und die Notwendigkeit, grosse Materialvolumina abzutragen, ohne die hochwertigen Bauteile zu gefährden.

Das Unternehmen begegnet den Herausforderungen mit einem abgestimmten Bearbeitungssystem. Dieses umfasst die Hartmetallsorte «CTC5240», geeignete Werkzeuge, eine kontrollierte Kühlschmierstoffzufuhr, anwendungsspezifische Schnittdaten und technische Expertise.

Wärme – Verschleiss – Prozesssicherheit

«Diese drei Herausforderungen lassen sich nicht unabhängig voneinander lösen», sagt Manuel Höfferer (Anwendungsspezialist Aerospace and Defence, Ceratizit). «Wärme beeinflusst den Verschleiss, der Verschleiss beeinflusst die Prozesssicherheit, und die Prozesssicherheit entscheidet darüber, wie produktiv Material abgetragen werden kann. Die Lösung muss deshalb Hartmetallsorte, Geometrie, Werkzeugkörper, Kühlschmierstoffzufuhr und Bearbeitungsstrategie miteinander verbinden.»

Werkzeug- und Prozessauslegung beeinflusst Schneidentemperatur

Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Titan kann die beim Zerspanen entstehende Wärme nur unzureichend aus der Bearbeitungszone abgeführt werden. Stattdessen konzentriert sich die thermische Belastung an der Werkzeugschneide, während der Werkstoff seine hohe Festigkeit auch während des Schnitts beibehält. Diese Kombination stellt hohe thermische und mechanische Anforderungen an das Hartmetallsubstrat ebenso wie an Beschichtung und Schneidengeometrie.

Ceratizit begegnet dieser Herausforderung mit der Hartmetallsorte «CTC5240», die speziell für das Fräsen von Titan in der Luft- und Raumfahrt entwickelt wurde. Das wärmeleitfähige Substrat und die CVD-Beschichtungsarchitektur sind auf Wärmekontrolle, Verschleissfestigkeit und Schneidkantenstabilität ausgelegt. Kombiniert wird die Sorte mit speziellen Geometrien, kontrollierten Eingriffsbedingungen und einer gezielten Kühlschmierstoffzufuhr. So wird die Temperatur als Teil des Gesamtprozesses kontrolliert und nicht als isoliertes Werkzeugmerkmal betrachtet.

Werkzeugverschleiss zu einer planbaren Grösse machen

Die chemische Reaktivität von Titan, seine Neigung zur Aufbauschneidenbildung und seine elastische Rückfederung können Adhäsion, Ausbrüche, Kerbverschleiss, Belastungen der Beschichtung und Reibung an der Freifläche begünstigen. Diese Mechanismen können sich gegenseitig verstärken und den Verschleiss rasch vorantreiben. Das macht Werkzeugwechsel und Bearbeitungsergebnisse schwer planbar. Die Lösung von Ceratizit ist deshalb auf ein kontrolliertes, reproduzierbares Verschleissverhalten ausgelegt und nicht auf einen einzelnen Spitzenwert bei der Standzeit. «CTC5240» bildet die werkstoffspezifische Basis, während Fräskörper, Schneidkantenpräparation, Rundlaufkontrolle, Schnittparameter und Anwendungstechnik auf die jeweilige Operation abgestimmt werden. Diese Systemlogik ermöglicht messbare Standzeiten, planbare Wechselintervalle und mehr Sicherheit bei langen Bearbeitungssequenzen.

Mehr Zerspanungsleistung ohne erhöhtes Bauteilrisiko

Bei Flugzeugstrukturbauteilen müssen häufig grosse Titanvolumina aus Schmiede- oder Vollmaterial abgetragen werden. Hersteller benötigen daher wettbewerbsfähige Zeitspanvolumina und müssen zugleich die Bauteile schützen, in die bereits viel Material, Vorbereitungs- und Bearbeitungsaufwand geflossen ist. Eine blosse Erhöhung der Schnittdaten kann die thermischen und mechanischen Belastungen steigern und zusätzliche Prozessrisiken verursachen. Wird dagegen die Werkzeuglösung auf das jeweilige Bauteilmerkmal und die Bearbeitungsumgebung abgestimmt, lassen sich Produktivität und Prozesssicherheit in Einklang bringen. Tiefe Taschen, dünne Wände, grosse Auskraglängen und unterbrochene Schnitte erfordern jeweils unterschiedliche Kombinationen aus Werkzeugsystem, Eingriffsstrategie, Kühlschmierstoffzufuhr und Schnittdaten. Verfahren wie das Gleichlauffräsen, kontrollierte Eingriffsbedingungen und eine konsequente Rundlaufkontrolle helfen dabei, die Leistungsfähigkeit von «CTC5240» unter realen Produktionsbedingungen in einen stabilen Materialabtrag umzusetzen.

Qualifizierte Prozesse durch Versorgungssicherheit absichern

Für Hersteller in der Luft- und Raumfahrt endet Prozessstabilität nicht an der Maschine: Verfügbarkeit, Qualifizierung und langfristige Versorgungskontinuität sind ebenfalls entscheidende Faktoren. Die erneute Qualifizierung eines Bearbeitungsprozesses kann in Luft- und Raumfahrtprogrammen schnell kostenintensiv werden. Daher sind Werkzeugverfügbarkeit und Versorgungssicherheit wichtige Bestandteile des Kundennutzens.

Ceratizit verbindet seine Expertise beim Titanfräsen mit einer stabilen Hartmetall-Wertschöpfungskette. Dazu tragen die integrierte Wertschöpfung, die Kompetenz im Hartmetallrecycling und die Versorgungssicherheit für westliche Märkte bei. Damit erhält die technische Lösung eine weitere wichtige Dimension: Kunden benötigen nicht nur eine Werkzeuglösung mit herausragender Bearbeitungsleistung, sondern auch einen Partner, der qualifizierte Prozesse langfristig unterstützen kann.

Expertenwissen für anwendungsspezifische Lösungen

Für Titanbauteile in der Luft- und Raumfahrt gibt es keine universell gültigen Schnittparameter. Die passende Lösung hängt von Legierung, Bauteilgeometrie, Maschinenbedingungen, Bearbeitungsaufgabe und Produktionsziel ab. «Jede Titananwendung ist anders», sagt Manuel Höfferer (Anwendungsspezialist Aerospace and Defence, Ceratizit). «Unsere Aufgabe ist es, die Hartmetallsortenentwicklung, die Auswahl des Werkzeugsystems, die Festlegung der Schnittdaten und unsere Anwendungsexpertise zu einer Prozessstrategie zu verbinden, die den konkreten Bauteil- und Fertigungsbedingungen des Kunden entspricht.»

Wer diese Zusammenhänge technisch vertiefen möchte, kann das Whitepaper «Hochleistungsfräsen von Titanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt» herunterladen. Es beleuchtet die Bedeutung von Temperatur, Verschleissverhalten, Werkzeugkonzepten, Kühlschmierstoffversorgung sowie Bearbeitungsstrategie und veranschaulicht diese anhand von Beispielen aus der Titanbearbeitung. Eine ergänzende Broschüre bietet einen Überblick über die entsprechenden Werkzeugsysteme und Anwendungsbereiche.

(böh)

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