Bearbeitung von Titanlegierungen, Superlegierungen und nicht{0}metallischen Materialien
1. Bearbeitung von Titanlegierungen
Titanlegierungen werden aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizin und Biomedizin eingesetzt. Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit, hohen chemischen Reaktivität und Kaltverfestigungsneigung werden sie jedoch als schwer zu bearbeitende Werkstoffe eingestuft.
Wichtige Bearbeitungstechniken:
CNC-Fräsen: Üblicherweise werden Hochgeschwindigkeits-Hartmetall-Schaftfräser verwendet. Dynamische Frässtrategien tragen dazu bei, Wärmeentwicklung und Werkzeugverschleiß zu reduzieren. Beispielsweise können bei Spindeldrehzahlen bis zu 18.000 U/min bei Titan der Güteklasse 5 Toleranzen von ±0,02 mm erreicht werden.
Drehen: Erfordert starre Aufbauten und scharfe Werkzeuge. Insbesondere bei flexiblen Titanbauteilen werden dynamische Drehverfahren zur Stabilisierung der Schnittkräfte und zur Vermeidung von Rattern eingesetzt.
Bohren und Langweilen: Die Verwendung von scharfen Hartmetallbohrern, hohem Kühlmitteldruck (größer oder gleich 70 bar) und niedrigen Vorschüben ist wichtig, um Überhitzung zu vermeiden und Maßgenauigkeit sicherzustellen.
Spiralfräsen: Effektiv für Schruppbearbeitungen, verteilt den Schnittdruck gleichmäßig und reduziert den Werkzeugverschleiß.
5-Achsen-Bearbeitung: Ermöglicht komplexe Geometrien und reduziert die Rüstzeit, besonders nützlich in der Luft- und Raumfahrt sowie bei der Herstellung medizinischer Implantate.
Kühlmittel und Werkzeuge:
Bevorzugt werden Emulsions- oder synthetische Kühlmittel mit hoher Schmierfähigkeit.
Innere Kühlmittelzufuhr und vibrationsdämpfende Werkzeughalter verbessern die Oberflächengüte und die Werkzeuglebensdauer.
Hybrid-Dämpfungshalter können Vibrationen um bis zu 40 % reduzieren und ermöglichen so spiegelähnliche Oberflächen auf dünnwandigen Teilen.
2. Bearbeitung von Superlegierungen (z. B. GH4169, GH2747)
Superlegierungen, insbesondere Nickelbasislegierungen wie GH4169 und GH2747, sind in Hochtemperaturanwendungen wie Gasturbinen, Strahltriebwerken und Luft- und Raumfahrtkomponenten von entscheidender Bedeutung. Sie weisen eine hervorragende Kriechfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen auf, sind jedoch äußerst schwierig zu bearbeiten.
Wichtigste Herausforderungen:
Hohe Schnittkräfte und Temperaturen
Schneller Werkzeugverschleiß durch Kaltverfestigung
Geringe Wärmeleitfähigkeit führt zu Wärmekonzentration an der Werkzeugkante
Bearbeitungsstrategien:
Werkzeugmaterialien: Verwendung von beschichteten Hartmetall-, Keramik- oder kubischen Bornitrid-Werkzeugen (CBN).
Niedrige Schnittgeschwindigkeiten: Um die Wärmeentwicklung zu reduzieren
Hochdruck-Kühlmittel: Unverzichtbar für die Spanabfuhr und -kühlung
Stabile Setups: Starre Vorrichtungen und kurze Werkzeugüberhänge zur Minimierung von Vibrationen
Verarbeitungstechniken:
Drehen und Fräsen: Wird oft unter kontrollierten Bedingungen mit optimierten Werkzeugwegen und Kühlmittelfluss durchgeführt
Schmieden und Wärmebehandlung: Vor der Bearbeitung werden Superlegierungen häufig bei hohen Temperaturen (z. B. 950–1300 Grad) geschmiedet und Lösungs- und Alterungsbehandlungen unterzogen, um die Bearbeitbarkeit und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern
Simulation und Optimierung: Finite-Elemente-Modellierung (z. B. DEFORM) wird verwendet, um Temperatur- und Dehnungsfelder während des Schmiedens und der Bearbeitung vorherzusagen
3. Bearbeitung nicht-metallischer Werkstoffe
Nicht{0}}Nichtmetallische Materialien wie Kunststoffe, Keramik, Glas und Verbundwerkstoffe werden aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer maßgeschneiderten Eigenschaften zunehmend in der Luft- und Raumfahrt-, Elektronik- und Medizinindustrie eingesetzt.
Gängige nicht-metallische Materialien:
Kunststoffe: ABS, Polycarbonat, PEEK, PTFE
Keramik: Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid
Glas: Quarz, optisches Glas
Verbundwerkstoffe: Kohlefaser, Glasfaser, Laminate
Bearbeitungstechniken:
CNC-Bearbeitung: Hochpräzises Fräsen und Drehen mit Diamant--beschichteten oder Hartmetallwerkzeugen
Laserschneiden: Speziell für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe
Ultraschallbearbeitung: Für harte und spröde Materialien wie Keramik
Wasserstrahlschneiden: Geeignet für hitzeempfindliche-Materialien
Wichtige Überlegungen:
Werkzeugauswahl: Übermäßige Hitze und Materialschmelzen müssen vermieden werden
Kühlung: Luft- oder flüssige Kühlmittel zur Vermeidung thermischer Schäden
Befestigung: Sanftes Spannen, um Risse oder Verformungen zu vermeiden
Oberflächenbeschaffenheit: Erfordert oft eine Nachbearbeitung wie Polieren oder Beschichten
Anwendungen:
Kunststoffteile: Gehäuse, Isolatoren, medizinische Geräte
Keramik: Isolatoren, Schneidwerkzeuge, biomedizinische Implantate
Glas: Optische Komponenten, Anzeigetafeln
Verbundwerkstoffe: Luft- und Raumfahrtplatten, Automobilteile
