Leichter abheben mit Diamant- und HiPIMS-Schichten

Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe für Leichtbau und Luftfahrt

Leichtbauwerkstoffe überzeugen mit geringem Gewicht bei hoher Festigkeit und Stabilität. In der Zerspanung sind sie allerdings echte Schwergewichte. Beim Bohren und Fräsen von harten und zugleich zähen Speziallegierungen oder Composite-Werkstoffen für den Flugzeugbau gewährleisten CemeCon-Premium-Beschichtungen höchste Prozesssicherheit, ermöglichen beste Fertigungsqualität und sichern zugleich langfristige Wirtschaftlichkeit.

Beim Aufsetzen auf die Landebahn geht ein sanfter Ruck durch den Rumpf des Flugzeugs. Und auch während des Fluges war ganz schön Bewegung in der Maschine; das konnte jeder – je nach Sitzplatz – an den Flügelenden beobachten. Gut, zu wissen, dass Flugzeuge keineswegs so starr sind, wie sie auf den ersten Blick wirken. Tatsächlich sind sie durch und durch auf Elastizität getrimmt. Die Aluminiumlegierungen, die in der Luftfahrt eingesetzt werden, sind perfekt darauf ausgelegt. Sie sind viel zäher als die Legierungen, die im Automobilbau verwendet werden, denn sie enthalten nur einen Bruchteil an Silizium. Das macht den Werkstoff besonders widerstandsfähig gegen die ständige dynamische Belastung durch Vibrationen und Schwingungen im Flugbetrieb. So bleiben Flugzeuge über ihre gesamte Lebensdauer sicher – verbreitete Modelle sind für 25 Jahre, 60.000 Flugstunden und 48.000 Landungen ausgelegt und halten in der Regel noch weitaus länger.

Der geringe Siliziumgehalt bedeutet einen sehr hohen Anteil reinen Aluminiums in der Legierung. Dieses hat die Tendenz sehr stark zu schmieren, sobald es in der Zerspanung heiß wird. Eine Tatsache, die beim Fräsen unbedingt beachtet werden muss, sonst entstehen Materialaufschweißungen am Werkzeug: Der von der Reibungswärme „verflüssigte“ Span schmiert auf dem Werkzeug auf, erkaltet und haftet dort augenblicklich stärker als jeder Sekundenkleber. „Der nächste Span reißt dann an dieser Erhöhung, die da nicht hingehört. Die wirkenden Kräfte sind so hoch, dass gleich ein ordentliches Stück Beschichtung und Hartmetall mit herausgebrochen werden kann“, beschreibt Manfred Weigand, Produktmanager Round Tools bei CemeCon, anschaulich, wie Kalt­aufschweißungen zum Exitus eines Werkzeugs führen.

Ultraschärfe durch ultraglatte und ultradünne HiPIMS-Schicht

AluCon®-Beschichtungen auf Basis vom Titandiborid – kurz TiB2 – haben eine extrem geringe Affinität zu Aluminium. Statt zu haften, gleitet der Span darüber wie der Pfannkuchen aus der Teflon®-Pfanne. Das Resultat: ein maximal effektiver Späneabtransport. Damit die Schneidkanten so scharf bleiben, wie es nötig ist, um beim Zerspanen eine optimale Oberfläche des zähen Flugzeugaluminiums zu erreichen, werden diese HiPIMS-Schichten alternativ mit nur 1 µm oder 2 µm Schichtdicke besonders dünn abgeschieden. Mit HiPIMS werden TiB2-Beschichtungen unerreicht dicht bei perfekter Haftung. Das macht den Schichtwerkstoff AluCon® zur idealen Basis für die Beschichtung von Werkzeugen zur Titanbearbeitung.

Sowohl Aluminium als auch Titan werden in modernen Flugzeugen immer häufiger in Kombination mit Komposit-Werkstoffen – sandwichartig – mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen verbaut. „Ein Loch bohren in ein Bauteil, das zunächst porös und hochabrasiv und dann im Verhältnis weich und zäh ist? Das stellt spezielle Anforderungen an Substrat, Schneidgeometrie und Beschichtung“, schildert Manfred Weigand die Erfahrungen. „CCDia®AeroSpeed® – ursprünglich konzipiert für die CFK-Bearbeitung – bietet auch für das Duo CFK und Aluminium eine ausbalancierte Lösung.“ Die nanokristalline Diamant-Oberfläche ist extrem glatt und chemisch inert – darum ist auch damit ein effektiver Späneabtransport gesichert. Besonders scharf sind 
CCDia®AeroSpeed®-beschichtete Werkzeuge ebenfalls, da die Kantenverrundung der Schneide vielfach geringer ist als bei herkömmlichen Diamantbeschichtungen gleicher Dicke. Mit CCDia®AeroSpeed® lassen sich beim Austritt des Bohrers aus der Alu-Composite-Schicht Grate von weniger als 0,1 mm erreichen – und damit ein verbreiteter Standard im Flugzeugbau einhalten.

Multilayer-Diamantbeschichtungen von CemeCon zeichnen sich auch als der richtige Weg für das aktuelle Thema CFK-Titan-Bearbeitung ab. „Aktuelle Versuche zeigen, dass wir bald als Erste ein viel wirtschaftlicheres Zerspanen dieses Komposit-Werkstoffs erreichen werden“, wirft Manfred Weigand einen Blick in die Zukunft.