MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER SIMULATION VON ZERSPANPROZESSEN

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1 Die Fachzeitschrift des Fachverbandes Deutscher Präzisions-Werkzeugschleifer und seiner Partnerverbände 28. Jahrgang, September 2015 ISSN ZKZ Nr. 3 SCHNEIDWERKZEUG- UND SCHLEIFTECHNIK MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER SIMULATION VON ZERSPANPROZESSEN EMO 2016 WELTLEITMESSE FÜR WERKZEUGMASCHINEN UND METALLVERARBEITUNG Produkte Inspektion der Schneidkante Anwenderbericht Leidenschaftlich schärfen Unternehmen Auf dem Weg zur Manufaktur

2 UNTERNEHMEN 98 SCHLEIFMASCHINEN IN DER AEROSPACE-INDUSTRIE HAAS Ingenieure im Interview. Segment. Alles Bauteile im Hochdruckbereich einer Flugzeugturbine, die sehr hohen thermischen und physikalischen Belastungen ausgesetzt sind. Da haben wir es dann mit schwer zerspanbaren, sehr anspruchsvollen Werkstoffen zu tun. Da kommt dann nur noch Schleifen in Frage. Tim Kern, Leiter Vorführungen und Wolfram Hermle, Leiter Software-Entwicklung bei Haas Die Haas Schleifmaschinen GmbH war auf der Leitmesse für die Luft- und Raumfahrtindustrie Paris Air Show in Le Bourget mit einem eigenen Stand vertreten. FORUM hat mit Tim Kern (Leiter Schleif-Vorführungen) und Wolfram Hermle (Leiter Software-Entwicklung) über die Rolle von Haas in der technologisch anspruchsvollen Aerospace-Industrie gesprochen. FORUM: Wo werden die Multigrind Schleifmaschinen in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt? Tim Kern: Wir arbeiten seit gut sechs Jahren für die verschiedensten Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie. Angefangen hat es mit einer Multigrind CB Schleifmaschine, die bei einer großen deutschen Airline im Bereich Maintenance zum Schleifen von Hochdruck-Turbinenschau- feln (HP: High Pressure Turbine Blades) eingesetzt wird. Mittlerweile stehen viele Schleifmaschinen von Haas bei Herstellern von Flugzeugtriebwerken oder deren Zulieferern. Generell kann man sagen, dass im Niederdruckbereich der Flugzeugtur bine (LP: Low Pressure Bereich) die Teile in der Regel gefräst werden, weil sowohl der Werkstoff als auch die geforderte Präzision dies zulassen. Das sind dann zum Beispiel Blisks (Blade Integrated Disk /Rotorschaufeln), bei denen Scheibe und Rotor mit Blättern am Stück sind. Die werden aus dem Vollen gefräst. Wolfram Hermle: Im Bereich eines Flugzeugtriebwerks bearbeiten Haas-Anwender unterschiedliche Werkstücke, das geht vom IP compressor blade (IP Intermediate-Pres - sure-kompressorschaufel) bis hin zum HP Turbine Blade, HP-Vane oder HP-Shroud FORUM: Gibt es Aerospace Bauteile außerhalb des Triebwerks, die auf Haas- Schleifmaschinen geschliffen werden? Tim Kern: In einem Flugzeugtriebwerk gibt es natürlich auch etliche Wellen, die zum Teil mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen, je nachdem, ob wir es mit einem einstufigen oder mehrstufigen Triebwerk zu tun haben. Und wo es Wellen gibt, gibt es in der Regel auch Getriebe, Verzahnungen und Umlenkungen, und die können auf unseren Multigrind Schleifmaschinen hochpräzise bearbeitet werden, egal wie anspruchsvoll der Werkstoff ist. Wir haben aber auch schon Ventile für lüftungstechnische Anlagen oder Rotoren für die Hydraulikpumpen, die in Flugzeugen verbaut werden, geschliffen. Es kommt auch vor, dass ein Kunde eine Maschine zunächst zur Produktion von Ventilklappen einsetzt und dann später Bauteile fürs Fahrwerk damit produziert. Im Prinzip kann man auf einer Haas alles schleifen, was in die Maschine passt und im Arbeitsraum vernünftig bewegt werden kann. FORUM: Wie sehen Sie die Position von Haas in der Luft- und Raumfahrtindustrie im Vergleich zur ähnlich anspruchsvollen Medizintechnik? Dort ist Haas ja Marktführer bei den Herstellern von

3 99 Kniegelenksimplantaten. Wird Haas in der globalen Aerospace-Industrie wahrgenommen? Wolfram Hermle: Wir sind ein feiner Hersteller von Schleifmaschinen, noch dazu aus einer Gegend, wo das Wort der berühmten schwäbischen Hausfrau großes Gewicht hat. Auf der Leitmesse Paris Air Show pflegen wir eher den bescheidenen Auftritt. Wir waren jetzt zum vierten Mal in Paris und haben festgestellt, dass wir von Jahr zu Jahr mehr wahrgenommen werden. Gerade auch von den ganz großen, renommierten Triebwerksherstellern. Tim Kern: Ein klarer Vorteil für uns ist es, dass wir hier hauptsächlich mit Technikern und Ingenieuren sprechen. Wir treffen auf sehr viel technisches Know-how und Menschen, die genau wissen, was sie wollen. Im Vergleich etwa zur Medizintechnik herrschen in dieser Branche noch viel engere technische Vorgaben, viel weniger Spielräume. In der Regel gibt es eine Konstruktionszeichnung des Bauteils, und genau so soll es rauskommen. Wir bewegen uns hier auf einem ganz klar definierten technischen Pfad, der nicht verlassen werden darf. Dazu kommt, dass ein Triebwerk keine kurzfristige Investition ist, sondern nicht selten mehr als 20 Jahre lang laufen muss. Da kann es keine Kompromisse in Sachen Genauigkeit oder Sicherheit geben. Wir sind technologisch in der Lage, die hohen Ansprüche dieser Branche zu erfüllen: mit unserer Schleifsoftware, unseren Schleifmaschinen und unserer Erfahrung. Das hat sich allmählich rumgesprochen. FORUM: Wo liegen für Haas die konkreten technischen Herausforderungen bei der schleifenden Bearbeitung von Triebwerksbauteilen? Wolfram Hermle: Es geht immer um den stabilen Prozess. Die Kunden wollen absolut sichere Prozesse, mit denen sie reproduzierbare Qualität produzieren können. Ein Werkstück soll dem anderen gleichen Tim Kern: Wobei es durchaus sein kann, und zwar ohne Abstriche. dass eine Einzelmaschine für nur eine Tim Kern: Die Herausforderungen der Schleifaufgabe in Einzelfall schneller ist als Triebwerkshersteller kommen uns entgegen. eine Maschine von uns. Wenn man dann Wir schauen, dass wir das Bauteil nach aber die gesamte Durchlaufzeit nimmt, Möglichkeit nur einmal aufspannen, einmessen spart die Komplettbearbeitung mit nur ei- und dann in einer Aufspannung ner Aufspannung viel Zeit. Und wenn wir Präzision auf den Tausendstel Millimeter. Schleifen eines Shroud-Elements für Flugzeugturbinen komplett bearbeiten. Das geht womöglich dann noch die Automatisierungseinheit bei aus technischen Gründen nicht immer. unseren Maschinen dabei haben, dann wird Aber auch dann versuchen wir die Zahl der es richtig produktiv. Aufspannungen so gering wie möglich zu halten. FORUM: Gerade fiel das Stichwort Qualitätssicherung. Wie sieht es bei Haas damit FORUM: Denn mehrmals Aufspannen aus? kostet Zeit Tim Kern: Das Messen ist bei uns ein elementarer Wolfram Hermle: und Geld und vor Bestandteil des gesamten Be- allem Präzision. Weniger Aufspannungen arbeitungsprozesses. Deshalb ist die Messtechnik heißt ja auch Reduzierung der Liegezeiten bei unseren Maschinen in der des Werkstücks und damit eine Verkürzung Regel integriert. Wo es sinnvoll ist, arbeiten der Durchlaufzeiten. Sie haben weni- wir aber auch mit einer externen Mess- ger halbfertige, teure Bauteile rumliegen, maschine. müssen weniger Aufwand für die Qualitätssicherung Wolfram Hermle: Wir arbeiten bei Haas und das Messen betreiben und unter anderem mit der Messung zur brauchen in der Konsequenz natürlich auch exakten Erfassung der Lage des Werkstücks weniger Personal, weil Sie ja keine fünf im Raum. Wir haben drei Punkte zur Definition Maschinen zur Bearbeitung rüsten und bedienen der Ebene, dann kommen zwei müssen, sondern im Idealfall wie Punkte, um die Achse zu definieren, und bei Haas nur eine einzige Schleifmaschine.

4 UNTERNEHMEN 100 Komplettbearbeitung von Turbinenblättern mit der Haas-Sandwich-Aufspannung der dritte Punkt ist dann auf dem Werkstück selbst. Das ist jetzt nichts komplett Neues, aber es war bisher nicht üblich, die integrierte Messung beim Schleifen einzusetzen. Vor allem nicht so, wie wir das Ergebnis der Messung mit unserer Schleifsoftware Multigrind Horizon verarbeiten. Diese passt nämlich das Schleifprogramm automatisch der exakten Lage des Werkstücks im Raum, sprich an die Spannsituation, an. FORUM: Welche Vorteile hat dieses Messverfahren für den Anwender? Wolfram Hermle: Noch mehr Präzision! Und dass man dieses Verfahren jetzt bei jedem einzelnen Werkstück, das in die Maschine kommt, nutzen kann, ist neu und war in unserer Brache bisher nicht üblich. Tim Kern: Das heißt aber nicht, dass man das Verfahren immer einsetzen muss. Es gibt durchaus Schleifprozesse, auch bei der Komplettbearbeitung geometrisch anspruchsvoller Bauteile, da sind wir mit der Spannvorrichtung so wiederholgenau, dass sich die Messung vor jedem Werkstück erübrigt. Fazit: wir können so messen, müssen es aber nicht unbedingt, wenn es nicht notwendig ist. FORUM: Gibt es weitere Messverfahren, die Sie bei Haas einsetzen? Tim Kern: Eine weitere Variante, neben der Messung, sieht so aus, dass wir außerhalb der Schleifmaschine eine hochgenaue Koordinatenmessmaschine haben, die den Rohling einmisst und die Versatzwerte an unsere Schleifsoftware übergibt. Wolfram Hermle: Wir haben mit unserer Schleifsoftware Multigrind Horizon das CAM-System in die Schleifmaschine verlagert. Wir können also an der Maschine die zu bearbeitenden Flächen selektieren; die Software erkennt dann die Lage des Werkstücks im Raum und den Zustand der Schleifscheiben und passt auf dieser Datenbasis die Schleifwege individuell an. Am Ende haben wir dann eine reproduzierbare Qualität, unabhängig davon, wie maßhaltig der Rohling ist. FORUM: Welche Softwaremodule braucht der Anwender aus der Aerospace-Industrie? Wolfram Hermle: Wir sprechen hier weniger von Modulen. Mit dem Multigrind Horizon 3D-CAD-Paket und dem 3D- CAM-Paket deckt der Anwender rund 90 % aller Schleifaufgaben im Turbinenbereich ab. Wenn er dann noch Verzahnungen mit Getriebefunktionen, Stichwort Schiebesitze, bearbeiten will, nimmt er das Paket für rotationssymmetrische Werkstücke dazu. Die kompletten Messfunktionen und die Abrichttechnologie zum Abrichten im Prozess sind ja im Grundpaket schon enthalten. FORUM: Inwiefern hat das Eingießen von Bauteilen, zum Beispiel von Hochdruck-Kompressorschaufeln in eine Wismut-Halterung Einfluss auf die Maßhaltigkeit des Bauteils? Haas geht da ja mit der sogenannten Sandwich-Aufspannung einen anderen Weg. Tim Kern: Eigentlich will ja jeder weg von diesem Eingießen. Es ist teuer, zeitaufwendig, und kostet Energie. Und der, der eingießt, ist für die Lage des Bauteils in dieser Wismut-Halterung verantwortlich. Das heißt, der Eingießvorgang, der mehr oder weniger genau ist, entscheidet mit darüber, ob ich ein maßhaltiges Gutteil oder teuren Ausschuss bekomme. Wolfram Hermle: Da wir vom Gießen sprechen, sollten wir noch erwähnen, dass wir mit der Messung und der Haas- Sandwich-Aufspannung in der Lage sind, mögliche Toleranzen, die beim Gießprozess entstanden sind, auszugleichen. Angenommen also, das Kompressorblatt zeigt beim Einmessen Abweichungen an, zum Beispiel durch optisch nicht wahrnehmbare Verwindungen, dann gehen diese Messwerte in unser Schleifprogramm ein. Wir korrigieren dann diesen Gießfehler beim Schleifen des Turbinenfußes. Damit sitzen alle Turbinenblätter später absolut identisch in der Turbine. Denn nur so kann der optimale Wirkungsgrad des Triebwerks erzielt werden. Jede Abweichung in der Maßhaltigkeit geht hier zu Lasten des Wirkungsgrads, was sich wiederum auf die Treibstoffkosten auswirkt.

5 101 FORUM: Mit welchen Werkstoffen haben wir es im Turbinenbereich zu tun? Tim Kern: Zum Einsatz kommen Nickel, Nickelbasislegierungen, Titan, Titan-Aluminiumlegierungen, Aluminiumlegierungen, keramische Beschichtungen. Alles Werkstoffe, die die hohen physikalischen Belastungen in der Turbine aushalten. Schlagworte sind hier: geringes Gewicht, hohe thermische Belastungsfähigkeit und Zugfestigkeit. Ungekühlt haben wir in der Brennkammer rund C. Durch die aktive Einleitung von rund 700 C kalter Luft wird die Temperatur auf rund C gesenkt. Diese Werte sind natürlich von Triebwerk zu Triebwerk unterschiedlich. FORUM: Wie sieht es denn mit den Belastungen für die Schleifmaschinen im Aerospace-Bereich aus? Tim Kern: Die schwer zerspanbaren Werkstoffe, die wir schleifen, stellen natürlich auch an unsere Multigrind Schleifmaschinen hohe Anforderungen in Sachen Leistungsfähigkeit und Belastbarkeit. Der sehr abrasive Schleifstoff, der hier verwendet wird, in der Regel Korund, und der aggressive Kühlschmierstoff setzen der Maschine zu. Aber unsere Schleifmaschinen bringen auch unter solchen Bedingungen die geforderte Maßhaltigkeit und Produktivität. Man muss die Maschine halt entsprechend bauen. FORUM: Wie sehen Sie die Rolle der Schleifsoftware im gesamten Schleifprozess? Tim Kern: Die Software wird immer wichtiger und leistungsfähiger, gerade im präzisen Bereich, wo es auf den eintausendstel Millimeter ankommt. Eigentlich wird die Bezeichnung Schleifsoftware dem, was unsere Multigrind Horizon Software kann, nicht gerecht. Diese Software kann viel mehr als nur Schleifpfade generieren. Zum einen ist sie ein echtes CAM-System, zum anderen ein Schleif-Programmiersystem; dann ist diese Software eine vollwertige Werkzeugverwaltung und gleichzeitig ein Roboterhandlingsprogramm; darüber hinaus ist sie eine funktionierende Schnittstelle zum Messsystem und nicht zuletzt eine sehr anwenderfreundliche Bediensoftware, um im Produktionsbetrieb die Schleifmaschine laufen zu lassen. Diese Software ist so flexibel und hat so viele Facetten, dass sowohl der Konstrukteur in der Entwicklung als auch der Operator an der Maschine damit arbeiten können, jeder eben auf seinem User-Level. Wolfram Hermle: Das Arbeiten mit verschiedenen Berechtigungen oder User- Levels hat auch den Vorteil, dass ein validierter Schleifprozess, wie ihn die FAA (Federal Aviation Administration der USA) vorschreibt, nicht von einer unberechtigten Person geändert werden kann. Damit stellt Multigrind Horizon sicher, dass jederzeit nachvollziehbar ist, wer wann was am Schleifprozess verändert hat. Diese lückenlose Dokumentierung, die wir hier auch leisten, ist ein Muss in der Luft- und Raumfahrtindustrie. FORUM: Worauf legen die Kunden in der Aerospace-Industrie am meisten Wert? Tim Kern: Wir haben es mit sehr gut ausgebildeten, sehr anspruchsvollen Kunden zu tun. Die legen Wert auf einen maßgeschneiderten Schleifprozess, der stabil läuft. Das kommt uns entgegen, denn wir möchten unseren Anwendern einen kompletten, eingefahrenen Schleifprozess inklusive Automatisierung aus einer Hand liefern. Ein Haas-Kunde soll vom ersten Tag an produktiv schleifen können. Wolfram Hermle: Ein anderes großes Thema ist die Zerspanbarkeit neuartiger Werkstoffen. Da müssen wir uns auf neue Herausforderungen einstellen. Tim Kern: Ich sehe die Herausforderung eigentlich weniger im Material, das wir zerspanen müssen. Schließlich gibt es bis heute nichts Härteres als den Schleifstoff Diamant. Ich sehe vielmehr den Schleifprozess im Fokus. Es geht darum, stabile, sichere Prozesse zu entwickeln und diese weitestgehend zu automatisieren. Und zwar so, dass der Prozess in China genauso gut funktioniert wie in Frankreich, England oder in den USA. Am Ende müssen möglichst perfekte Teile zu einem möglichst niedrigen Preis rauskommen. Das klingt jetzt vielleicht banal, bringt es aber ganz gut auf den Punkt. Wenn man die Kosten der Bauteile in einer Flugzeugturbine mal anschaut, wird diese Haltung durchaus verständlich, oder? FORUM: Vielen Dank für dieses Gespräch. INFOBOX Tim Kern ist bei Haas verantwortlich für die Maschinenvorführungen und das Einrichten der Schleifprozesse beim Kunden. Seine Spezialgebiete sind unter anderem das Schleifen medizinischer Implantate und Instrumente sowie die Bearbeitung von Bauteilen für die Aerospace-Industrie. Wolfram Hermle leitet die Software-Entwicklung bei Haas. Er und sein Team und haben mit der Schleifsoftware Multigrind Horizon eine komplett neue Art von Schleifsoftware entwickelt, deren Vorteile gerade auch die Anwender im Aerospace- Bereich schätzen gelernt haben.