Engineering & Dienstleistung

Schnittig, präzise und ohne Belastung

11.11.2009

Wasserstrahlschneiden: Im Zeichen von Energieeffizienz und Ă–kologie sind Leichtbaumaterialien wie TiAl-Legierungen sehr gefragt. Allerdings sind solche Werkstoffe oft schwer zu bearbeiten. Bei Access an der RWTH Aachen setzt man zur mechanischen Bearbeitung auf Wasserstrahltechnik von Omax.

Kiwi unterm WasserstrahlTitan-Aluminium-Legierungen gelten mit ihrer geringen Dichte (3,8 g/cm³) als interessante Alternative zu Stahl und nickelbasierten Legierungen (8,5 g/cm³): Sie weisen je nach Zusammensetzung sehr gute Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften (bis 160 GPa) auf und sind bei Temperaturen bis zu 850°C kriechfest. Damit sind Titan-Aluminium-Werkstoffe prädestiniert als Leichtbauwerkstoff beispielsweise in Turboladern oder als Ventilstößel im Motor – Projekte, in denen Access eng unter anderem mit den OEMs der Automobilindustrie zusammenarbeitet.

„Die Legierungen bestehen in der Regel jeweils aus rund 50 Prozent Aluminium und 50 Prozent Titan, gegebenenfalls mit entsprechenden Beimischungen. Sie ermöglichen mit ihrer Gewichtsersparnis in vielen Fällen eine deutlich bessere Performance als konventionelle Werkstoffe“, erklärt Andre Schievenbusch, Mitglied der Geschäftsleitung bei Access. „Aufgrund der geringeren Masse können die Teile selbst, aber auch ihr Umfeld entsprechend leichter konstruiert werden als mit konventionellen Werkstoffen. Mit der Folge, dass etwa ein mit TiAl-Teilen gebautes Auto weit weniger Sprit benötigt und auch weniger Schadstoffe ausstößt.“

Nur eine Frage der Zeit
Ging früher der Trend dahin, Motoren über einen Turbolader immer leistungsstärker Innommax_2zu bauen, ist heute der Turbolader das Mittel, um die gleiche Leistung mit kleineren, leichteren und sparsameren Motoren zu erreichen. „Hier bietet insbesondere der Markt der Benziner noch gewaltiges Potenzial“, erläutert Schievenbusch. „Noch zögern die Automobilunternehmen, etwa für den Turbolader TiAl-Werkstoffe einzusetzen – die Verfahren sind, verglichen mit der Verarbeitung von Stahl, derzeit noch schlicht zu teuer und die Materialien offenbar noch zu exotisch. Das ist meiner Meinung aber nur eine Frage der Zeit: Wenn ein Hersteller anfängt, einen TiAl-Turbolader zu bauen, werden sehr schnell die anderen nachziehen.“

Den großen Vorteilen der TiAl-Materialien stehen indes insbesondere beim Bearbeiten auch gewaltige Herausforderungen gegenüber: „Die intermetallischen Werkstoffe sind quasi auf halbem Weg zur Keramik – und beim Bearbeiten verhalten sie sich regelrecht zickig und lassen Parameter oft nur in sehr schmalen Toleranzbändern zu. Bei Raumtemperatur verhalten sie sich beispielsweise sehr spröde, verkraften je nach Legierung nur eine sehr geringe Dehnung“, erklärt Schievenbusch. „Dazu kommt, dass jede kleine Veränderung in der Zusammensetzung oder auch bei der Gießtemperatur große Auswirkungen auf die Materialeigenschaften haben kann. Deshalb befassen wir uns schon länger mit der Wasserstrahltechnik, die einen schonenden Umgang mit unseren Werkstücken erlaubt.“

Zunächst war eine Wasserstrahl-Anlage eines kleineren Herstellers installiert – mangelnde Präzision und Zuverlässigkeit, insbesondere aber auch die Lärm- und Schmutzemissionen des Überwasser-Schnitts veranlassten die Verantwortlichen, nach einem geeigneten Nachfolgesystem zu suchen. Schließlich fiel die Entscheidung zugunsten der Omax 55100.

Diese Anlage bietet Verfahrwege von 2500×1400x200mm. Die 30-kW-Direktpumpe bringt 3800bar an die DĂĽse. Der Schwenkkopf Tilt-A-Jet ermöglicht das Unterwasser-Schneiden ohne Winkelfehler und das Erzeugen definiert kleiner Koni. Je nach Material und WerkstĂĽckdicke liegt die Genauigkeit bei ±0,02 bis 0,1 mm.

Schnelle Nullpunktbestimmung
Innomax_3Die eingängige Steuerung erlaubt ein zügiges Arbeiten, die windowsbasierte Steuersoftware Intellimax gestaltet mittels weniger Mausklicks nach DXF-Vorgabe, gewünschter Güte sowie Auswahl von Materialart und -dicke den Schneidprozess sehr einfach. Die integrierte Materialdatenbank kann vom Anwender selbst erweitert werden. Ein Kamerasystem erlaubt die schnelle Nullpunktbestimmung. Das Umfeld der Maschine bleibt dank Unterwasserschnitt sauber, und die Lärm­entwicklung hält sich in erträglichen Grenzen.

Bei Access werden die Titanaluminid-Werkstücke im Feinguss-Verfahren hergestellt. Beim Abtrennen der empfindlichen Bauteile vom Gießsystem setzen die Aachener inzwischen ausschließlich auf die Wasserstrahltechnik: „Der Wasserstrahl hat gegenüber der zerspanenden Trennung auf einem Bearbeitungszentrum gewaltige Vorteile“, erklärt Dirk Freudenberg, Leiter der mechanischen Werkstatt. „TiAl-Legierungen sind hoch abrasiv – bei zerspanender Bearbeitung haben HSS-Tools absolut keine Chance, auch VHM-Werkzeugen bleibt nur eine sehr geringe Standzeit. Zudem würde bei der Zerspanung Wärme ins Werkstück eingetragen werden, die möglicherweise das Gefüge des Materials verändert. Darüber hinaus ist die hohe Sprödigkeit des Werkstoffs ein Risiko beim Zerspanen – bei allen Versuchen mussten wir Mikrorisse feststellen.“

Der abrasive Wasserstrahl der Omax 55100 schneidet die Werkstücke kalt und ohne große Kräfte ins Bauteil einzubringen. „Das ist insbesondere bei unseren filigranen Bauteilen ein großer Vorteil, auch Mikrorisse sind kein Thema mehr“, erläutert Freudenberg. „Zudem benötigen die Werkstücke keine sehr aufwändigen Vorrichtungen, die wie bei der Zerspanung große Bearbeitungsdrücke aufnehmen müssten. Das Rüsten gestaltet sich so sehr einfach.“

Schonende Prozessgestaltung
Die Feinguss-Werkstücke werden in der Regel nach dem Abtrennen nur noch in sehr Innomax_4geringem Umfang nachbearbeitet – beispielsweise wird die Oberfläche per Gleitschleifen geglättet.

Diese fürs Materialgefüge der Werkstücke sehr schonende Prozessgestaltung erschließt auch die Luftfahrtindustrie für Teile aus TiAl – so verlangen die Airlines etwa nach Triebwerken, die mehr Leistung bei weniger Verbrauch und Schadstoffausstoß produzieren: In Zusammenarbeit mit Rolls-Royce etwa arbeiten die Aachener an Schaufeln für Flugturbinen – auch für die „heiße Seite“ des Triebwerks.

„Bei hohen Temperaturen dehnen sich die Legierungen – aber das ist inzwischen sehr gut beherrschbar“, erklärt Schievenbusch. „Neben Rolls-Royce arbeiten auch die anderen namhaften Turbinenhersteller an TiAl-Konzepten – im Flugzeug sind Leichtbauteile mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften ja ein Muss. Unser Werkstoff hat eine große Zukunft: An TiAl-Werkstoffen wird auf Dauer wohl kaum ein Turbinenhersteller vorbeikommen.“ Rw


Verwandte Beiträge