Produktivität des Fräsens von Titan verdoppelt

Verglichen mit Aluminium ist Titan weit abgeschlagen: Die Produktivität der Fräsbearbeitung ist etwa 20-mal schlechter. Bisher jedenfalls. Das hat Forscher der Universität Hannover nicht ruhen lassen.

Als Konstruktionswerkstoff in neueren Flugzeugmodellen ist das leichte Titan oft konkurrenzlos, denn anders als das gebräuchliche Aluminium verträgt es sich gut mit einem dritten Leichtbau-Werkstoff, den zunehmend eingesetzten Kohlenstofffaserverstärkten Verbundkunststoffen (CFK). So werden in einem Airbus A 350 etwa ein Dutzend vier Meter lange Spanten aus Titan im Gesamtwert von rund einer Million Euro verbaut.

Bei der spanenden Bearbeitung des Titan-Werkstoffs Verbesserungen zu erzielen, war Ausgangspunkt eines nun abgeschlossenen Forschungsprojekts des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover und vier Industriepartnern aus den Bereichen Werkzeugentwicklung, Beschichtung und Anwendung.

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Titan ist ein Leichtmetall von guter Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, lässt sich aber aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit sehr schlecht spanen, wie Springer-Autor Bozena Arnold in „Werkstofftechnik für Wirtschaftsingenieure“ auf Seite 195 erklärt: „Bei der Zerspanung fließt die erzeugte Prozesswärme zum größten Teil in die Werkzeuge und kann nicht mit den Spänen abtransportiert werden. Ein weiterer Grund ist die starke Verfestigung, die einen hohen Widerstand bei der Zerspanung hervorruft. Dadurch brechen die Schneidkanten von Werkzeugen leicht aus. Somit sind spezielle hochwarmfeste Hartmetalle für die Werkzeuge und eine effiziente Kühlung notwendig.“

Alle relevanten Größen wurden in Augenschein genommen

„Wir haben den Fräsprozess aus allen Perspektiven betrachtet“, erläutert Dennis Nespor vom IFW den Forschungs- und Entwicklungsansatz im Projekt und fasst die Erkenntnisse für die einzelnen Parameter so zusammen: Das Werkzeug müsse so nahe wie möglich an die technologischen Grenzen herangehen: So hart wie möglich sollte es sein und so zäh wie nötig. Bei der Werkzeugbeschichtung komme es vor allem darauf an, dass die Beschichtung adhäsionsmindernd wirke, damit das Titan nicht am Werkzeug anhaftet. Das Entscheidende bei der Werkzeuggeometrie sei die Ergänzung weiterer Schneiden, die außerdem scharf sein müssten – entgegen der noch neuen, für den Laien überraschenden Erkenntnis, dass verrundete Werkzeugkanten oftmals die bessere Schneidkantenstabilität und damit ein besseres Schneidergebnis aufweisen. Bei der Kühlung schließlich sei es entscheidend, neben dem Kühlmedium auch die Späne möglichst schnell abzutransportieren. Für den konkreten Anwendungsfall, einen Titanspant aus dem Airbus A 350 haben die Forscher die Geschwindigkeit des Bearbeitungsprozesses verdoppeln können. Da sich die Standzeit der Werkzeuge nur um etwa ein Fünftel verkürzte, reduzierten sich die Bearbeitungskosten auf nahezu die Hälfte.