Projekt 23420/01

Entwicklung einer neuen Frästechnik für die schnelle und zugleich hochgenaue Trocken- und Minimalmengenbearbeitung von gekrümmten Aluminium-Großblechen mit dem Ziel der Substitution galvanischer Abtragsverfahren

Projektträger

FOOKE GmbH
Raiffeisenstr. 18 - 22
46325 Borken
Telefon: 02861/8009-01

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gegenstand des Projektes war die Verfahrensentwicklung Hochgeschwindigkeitsfräsen von großflächig gekrümmten Aluminium-Dünnblechen als umweltverträglichere Alternative zum chemischen Abtragen.
Im Flugzeugbau sind innovative Lösungen des Leichtbaus entscheidend, um Kraftstoffverbrauch und Zuladung zu optimieren. Es werden sphärisch gekrümmte Aluminiumbleche für die Flugzeugaußenhaut eingesetzt. Nach dem Stand der Technik muss zur gewichtsreduzierenden Bearbeitung der 3 bis 10 mm dicken bis zu 40 m² großen Bleche auf minimal 2 mm Wandstärke das chemische Abtragen eingesetzt werden. Neben dem hohen Energieeinsatz entstehen erhebliche Mengen problematische Abfälle.
Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Verfahrenstechnik für die hochgenaue spanende Trockenbe-arbeitung von dünnen im Raum geformten Aluminium-Großblechen, um Abwasser und zu deponierenden Sondermüll zu vermeiden sowie Rohstoffe und Energie einzusparen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer ursprüngliche Lösungsansatz für die spanende Trockenbearbeitung von dünnen Aluminiumblechen war der Einsatz eines Fräsroboters mit fliegendem Gegenhalter, ebenfalls als Roboter ausgebildet, und frei im Raum hängendem Großblech. Die ursprünglich favorisierte Fräsanordnung mit zwei Industrierobotern zum Führen der Frässpindel und eines Gegenhalters war mit der geforderten Bearbeitungspräzision nicht realisierbar. Es wurde ein alternatives Anlagenkonzept, basierend auf einer Standard-Portalfräsmaschine mit hoher Strukturfestigkeit und einem CNC-gesteuerten, in vier Linearachsen (Z-, Y- und zwei X-Achsen) verfahrbaren Gegenhalter realisiert und erfolgreich getestet. Die praktische Erpro-bung an planen bzw. schwach gekrümmten Blechen bis zu einer Größe von 1000 x 2000 mm erfolgte beim Projektpartner Fachhochschule Gelsenkirchen, Mechatronik-Institut Bocholt.
Die Projektdurchführung erfolgte über die Arbeitsschritte
1. Vertiefende Bauteilanalyse,
2. Versuche mit einem Fräs- und einem zusätzlichen Gegenhalter-Roboter,
3. Notwenige Neukonzeption einer geeigneten Frästechnik,
4. Entwicklung des neuen Fräskonzeptes und
5. Umfangreiche Erprobung mit realen Bauteilen.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurde ein mechanisches Präzisionsbearbeitungsverfahren für Aluminiumbleche in Fahrzeug- und Flugzeugbau weiterentwickelt und erprobt, das abfallintensive nasschemische Verfahren ersetzen kann.
Im Rahmen der umfangreichen Entwicklungszusammenarbeit des Werkzeugmaschinenbauers Fooke GmbH (Fräskonzeptanalyse, Prototypenentwicklung, -bau und -erprobung) mit dem Mechatronik Institut Bocholt an der Fachhochschulabteilung in Bocholt (Finite-Elemente-Methode -FEM und Mehr-Körper-Simulation -MKS-, Fräsversuchdurchführungen) zeigte sich, dass weder mit der Roboterfrästechnik noch mit einer flexiblen Spanntechnik den geforderten hohen Form- und Oberflächengenauigkeiten entsprochen werden kann. Vielmehr, so das erreichte Forschungs- und Entwicklungsergebnis, ist für die hochgenaue Fräsbearbeitung mit aus wirtschaftlichen Gründen notwendiger hoher Zerspanungsleistung sowohl ein formstabiles Maschinengestell als auch eine solche Aufspannung für das mehrere qm umfassende 3 mm dünne Aluminiumblech erforderlich. Eine diesen Anforderungen entsprechende Bearbeitungsanlage wurde entwickelt und erfolgreich erprobt.

Mit dem im Mechatronik-Institut Bocholt im Projektrahmen installierten Prototypen, bestehend aus einer Portalfräsmaschine hoher Struktursteifigkeit mit neu implementierten Linearmotoren, die eine besonders hohe Vorschubdynamik ermöglichen und einer synchronisierten, CNC-gesrteuerten Verfahreinheit als Gegenhalter war eine präzise Blechbearbeitung möglich. Die erforderlichen Fräsgenauigkeiten und Oberflächengüten wurden zunächst bei kleinen Ausschnitten mit kleinen Schaftfräsern und geringen Leistungen erreicht. Weitere Entwicklungsarbeiten und Optimierungen sind zum Einsatz für eine Großteilfertigung im Flugzeug- und Fahrzeugbau erforderlich.

Trotz der relativ hohen Investitionsaufwendungen zeigt sich aufgrund der sehr guten Zerspanleistungen und zugleich hohen Bearbeitungsqualität ein guter wirtschaftlicher Ansatz für die neu entwickelte High-Speed-Fräsbearbeitung der Flugzeugaußenhaut aus Aluminiumblechen als Alternative zu dem bislang üblichen Ätzverfahren. Das Verfahren führt zur deutlichen Reduktion von Umweltbelastungen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es ist vorgesehen, die Forschungsergebnisse auf der Messe Emo in Hannover interessierten Kunden zu präsentieren. Auch werden die Ergebnisse möglichen Entwicklungspartnern (zumeist kleine Mess- und Steuerungstechnik-Unternehmen) und Kunden (auch im Bereich Schienenfahrzeugbau) präsentiert.
Die Forschungsergebnisse fließen weiter auch in Lehrveranstaltungen der FH Gelsenkirchen ein.


Fazit

Diese Projektergebnisse zeigen, dass für die erforderlichen hohen Oberflächen- und Formgenauigkeiten beim Hochgeschwindigkeitsfräsen von dünnwandigen Aluminiumblechen eine großflächige und steife Aufspannung erforderlich ist. Ein ursprünglich angestrebter sensorgeführter flexibler Gegenhalter führt zu keinem ausreichenden Fräsergebnis. Auch die hierzu vorgesehene direkte Messung der Wandstärke im Prozess über Sensoren ist nur als Zusatzfunktion für eine auf jeden Fall zu wählende steife Werkstückauflage praktikabel. Eine stabile Maschinenkonstruktion und ebenso Werkstückaufspannung führt zwangsläufig zu einer aufwändigen Anlagenkonzeption. Diese ist aber unumgänglich, wie dies auch durch Untersuchungen anderer Entwicklungseinrichtungen bestätigt wird. Insofern kann man das Fräsen dünner Bleche aus Aluminium mit einer einfachen Blechaufspannung und einer flexiblen Haltevorrichtung auch bei einer Sensorführung für die Wanddickenmessung nicht realisieren.
Aufgrund der erreichbaren hohen Schneidleistungen, Präzision und Oberflächengüte werden wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten für das im Projekt entwickelte Blechbearbeitungsverfahren erwartet.

Übersicht

Fördersumme

125.000,00 €

Förderzeitraum

07.06.2005 - 07.12.2006

Internet

www.foocke.de

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik