Die kryogene Bearbeitung: Eine bahnbrechende Technologie in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Es ist eine simple Tatsache, dass die Bearbeitung von Werkstoffen Wärme erzeugt. Leider ist dies eine unerfreuliche Nebenwirkung bei der Metallbearbeitung, die einige Probleme mit sich bringt. Es liegt auf der Hand, dass die Bearbeitung ohne erzeugte Wärme besser laufen würde, denn es gäbe kürzere Zykluszeiten, eine längere Haltbarkeit und eine höhere Bauteilqualität. Wäre es nicht großartig, wenn man die Temperatur genau dort, wo das Werkzeug auf das Werkstück trifft, auf – 196 °C senken könnte? Nun, das ist die Theorie hinter der kryogenen Bearbeitung.

Wie funktioniert das alles im wirklichen Leben? In diesem Artikel erzählen wir, wie sich Doosan mit einem Vertriebshändler und einem Kunde zusammengetan hat, um die Bearbeitung von Flugzeugbauteilen mithilfe von kryogener Bearbeitungstechnologie zu verbessern.

Der Kunde

Die Firma „Milling Precision Tool Company“ (MPTC) ist eine CNC-Maschinenwerkstatt in Wichita im US-Bundesstaat Kansas, die auf die Bedürfnisse der lokalen Luft- und Raumfahrtindustrie zugeschnitten ist. Mit rund 30 Mitarbeitern arbeiten sie mit Kunden wie Cessna/Textron, Lockheed Martins Aeronautical Division, Boeing und vielen anderen Großkunden zusammen. Das 55-jährige Bestehen spricht für sich. Mit einer zukunftsorientierten Arbeitskultur erfindet sich das Unternehmen ständig neu, verbessert interne Prozesse, verfolgt einen schlanken Unternehmensansatz, implementierte einen One-Piece-Flow und denkt stets über Möglichkeiten nach, die Setup Zeiten zu verkürzen.

Mike Craig, Gesellschafter von MPTC, sagt: „Vor ungefähr einem Jahr haben wir begonnen, uns mit der kryogenen Bearbeitungstechnologie zu befassen und zu untersuchen, wie sie unserer Firma bei der Bearbeitung von Hartmetallen, wie Titan, Edelstahl und anderen Legierungen sowie Verbundwerkstoffen für die Luft- und Raumfahrtindustrie, zugutekommen kann.“

Die Technologie

Wie es das Schicksal wollte, hatte sich Doosan gerade mit der Firma „5ME® Cryogenics“ zusammengetan, um die Vorteile der kryogenen Bearbeitung aufzuzeigen. Das einzigartige, mehrfach patentierte kryogene Bearbeitungsverfahren von 5ME® ist eine bahnbrechende Technologie, die höhere Zerspanungsraten und eine längere Werkzeuglebensdauer ermöglicht, indem flüssiger Stickstoff bei – 196 °C über die Spindel/den Revolver, den Fräskörper, das Schneidwerkzeug und direkt zur Schneidkante fließt. Diese umweltfreundliche Bearbeitungstechnologie erhöht den Durchsatz, die Bauteilqualität, die Haltbarkeit und die Rentabilität, eliminiert Kühlschmiermittel und reduziert den Energieverbrauch.

Wie es dazu kam

Die Doosan NHP 6300 Maschine, ein horizontales Bearbeitungszentrum mit 50er-Kegel und 630-mm-Palette, die mit einer BIG PLUS Spindel mit 10.000 U/min ausgestattet ist, wurde als Grundlage für die kryogenen Anwendungen von „Milling Precision Tool“ ausgewählt. Die NHP 6300 verfügte über den entsprechenden Verfahrweg und alle Maschinenmerkmale, die sie für die Bearbeitung ihrer Bauteile benötigten.

Denny Creitz, Vertriebsmitarbeiter bei „Machine Tool Specialties“, dem Vertriebshändler von Doosan Machine Tools America in dieser Region, kennt sich aus. In den letzten 5 Jahren hat er mit MPTC an der Standardisierung der Maschinen gearbeitet. Er lud sie nach Warren im US-Bundesstaat Michigan ein, wo sich 5ME® und die NHP 6300 befanden, und überwachte die Schrupp- und Schlichtbearbeitung der Musterbauteile im Rahmen des Prüfungsverfahrens. MPTC war überzeugt, dass die Maschine alle Anforderungen erfüllte und bestellte sofort eine NHP 6300, die für kryogene Bearbeitungsverfahren ausgelegt war.

Ergebnisse

Laut Will Gruber, Leiter der Abteilung „Marketing & Channel Sales“ bei 5ME®, wurde die Maschine an „Milling Precision Tool“ ausgeliefert. MPTC verwendet die NHP 6300 so gut wie ununterbrochen und bearbeitet damit Hartmetalle, wie Titan (6AL4V), Edelstahl (15-5 PH) und verschiedene Legierungen.

Sie begannen mit der Bearbeitung von Rohlingen, die unter Verwendung von Kühlschmiermittel in einem vorbereitenden Fertigungsschritt eine individuelle Form erhalten hatten, mit Kryotechnik und konnten massive Verbesserungen der Zykluszeit von bis zu 50% feststellen. Die Zerspanungsrate war ungefähr doppelt so hoch wie bei herkömmlichem Kühlschmierstoff. Die kryogene Bearbeitung erzielte außerdem eine Kosteneinsparung von 30 Prozent im Vergleich zu der Verwendung von Kühlschmiermittel (Kühlschmiermittelkosten und Kosten für die Kühlschmiermittelentsorgung). Während die Werkzeuglebensdauer konstant bei 60 Minuten bleibt (Industriestandard), bearbeitet MPTC Bauteile 2 bis 2,5-mal schneller, sodass die Werkzeuglebensdauer pro Teil (entferntes Material) um das 2 bis 2,5-fache erhöht wird, was wiederum die Werkzeugkosten pro einzelnem Bauteil senkt. Das Resultat waren niedrigere Bauteilkosten und schnellere Lieferzeiten.

Ein Botschafter der kryogenen Bearbeitungstechnologie

Aufgrund dieser Erfahrung hat sich das Werk von „Milling Precision Tool“ zu einem Ausstellungsraum für 5ME®, Doosan und die Firma „Machine Tool Specialties“ sowie für lokale Luft- und Raumfahrtkunden entwickelt, damit sie die Vorteile der kryogenen Bearbeitung aus erster Hand erfahren können.

MPTC führte eine zweitägige Präsentation für Cessna/Textron in der Einrichtung durch, zeigte ihnen die Maschine, erläuterte die Vorteile der Bearbeitung mit flüssigem Stickstoff und präsentierte Musterwerkstücke mit einer besseren Oberflächengüte als bei gewöhnlichen Kühlschmiermitteln. Dies veranlasste Cessna/Textron, die Herstellungsspezifikationen für ihre Lieferanten zu aktualisieren, um die kryogene Bearbeitung als zulässige Methode für die Bearbeitung von Bauteilen zu genehmigen.

Die Zukunft

Während „Milling Precision Tool“ nach neuen Ausschreibungen Ausschau hält und das Unternehmen wächst, wurde bereits darüber gesprochen, die Anlagen zu erweitern und weitere Maschinen hinzuzufügen, sowohl für die traditionelle Bearbeitung von Aluminium als auch für die kryogene Bearbeitung von Hartmetall. Das Langzeitziel ist jedoch der mannlose Betrieb.

Obwohl ihre Produktionsmengen möglicherweise nicht als Massenproduktion angesehen werden, liegen die Zykluszeiten bei der Bearbeitung von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt gewöhnlich höher als bei anderen Bauteilen. Daher ist der Einstieg in die Automatisierung ebenfalls geplant. Glücklicherweise bietet Doosan für die NHP 6300 einen nachrüstbaren linearen Palettenbahnhof an, damit die Maschine für eine Schicht unbeaufsichtigt laufen kann. Der Palettenbahnhof minimiert außerdem die Rüstzeit, wenn verschiedene Bauteile bearbeitet werden.

Modernste Technologie

Diese Installation war das erste kryogene horizontale Bearbeitungszentrum in Wichita und das erste Horizontal-Bearbeitungszentrum von „Milling Precision Tool”. Für MPTC war es wichtig, an der Spitze dieser Technologie positioniert zu sein. Damit können sie ihren Kunden, den Marktführern der Luft- und Raumfahrtindustrie, die Vorteile der Technologie aus erster Hand vorstellen.

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