Projekt TeWuFeAl – Technologie und Werkzeuge für Ultraschall unterstütztes Fräsen von Eisen- und Titan-Aluminid-Bauteilen

09.12.2021

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderer

Intermetallische Legierungen aus Aluminium und einem Übergangsmetall stellen eine kosten- und gewichtsoptimierte Alternative zu konventionellen Hochtemperaturwerkstoffen dar und gewinnen deshalb für viele Anwendungen im Anlagenbau zunehmend an Bedeutung. Innovative TiAl- und FeAl-Legierungen sind im Kokillenguss bereits wirtschaftlich darstellbar, stellen die Industrie bei der nachfolgenden Zerspanung jedoch noch vor große Herausforderungen. Das Projekt TeWuFeAl soll vor allem kleine und mittlere Unternehmen (KMU) unterstützen.

Die im Kokillenguss dargestellten Fe- und Ti-Aluminide weisen aufgrund hoher Festigkeit eine erschwerte Zerspanbarkeit auf und bedingen einen hohen Werkzeugverschleiß und geringe Oberflächengüten. Innovative Werkzeugkonzepte und Bearbeitungsstrategien, verbunden mit ultraschallunterstützten Fräsprozessen, sollen das Belastungskollektiv für Werkzeug und Bauteiloberfläche reduzieren. Es sollen wirtschaftliche Prozessketten für KMU und Werkzeuge zur sicheren Bearbeitung der Aluminid-Bauteile entwickelt werden.

Der komplette Herstellungsprozess wird betrachtet, von der Gießbarkeit der Aluminid-Legierungskonzepte über deren ultraschallunterstützte Zerspanung bis zur Überprüfung der Bauteilintegrität. Für die Erreichung der Anforderungen an die Werkzeugstandzeit und Oberflächengüte werden auf Grundlage von Zerspanversuchen und Kraftmodellen Werkzeugtechnologien sowie Frässtrategien entwickelt, welche abschließend anhand eines Demonstratorbauteils qualifiziert werden.

Projektleitung

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Fachbereich Versuchsanlagen und Prüftechnik

Partner

Access e.V., Forschungsinstitut mit dem Fokus auf Materialforschung und Fertigungsverfahren
AWB Anlagen- und Werkzeugbau GmbH & Co. KG
Wolf Werkzeugtechnologie GmbH

Förderung

ZIM-Vorhaben (AiF Projekt GmbH, BMWK)

Wachsende Aufmerksamkeit für Aluminide als Hochtemperaturwerkstoffe

Aluminide eignen sich aufgrund ihrer hohen Festigkeit auch bei Temperaturen über 600 °C für Hochtemperaturanwendungen. Zudem stellt ihre geringe Dichte eine besondere Attraktivität für den Leichtbau, z. B. bei E- oder hybriden Flugzeugantrieben dar. Neben dem bereits in der Luftfahrtindustrie etablierten Titanaluminid (TiAl) wird Eisenaluminid (FeAl) als besonders zukunftsorientierte Substitution von kostenintensiven Hochtemperaturwerkstoffe wie z.B. Nickelbasis-Superlegierungen bewertet. Eisenaluminid ist kostengünstig und als Rohstoff unproblematisch verfügbar. Innovative Legierungskonzepte ermöglichen die Verwendung von Dauerformen und damit einen äußerst wirtschaftlichen Gießprozess. Bei der Schmelzerstarrung im Kokillenguss bildet sich jedoch ein für die Zerspanung herausforderndes feinkörniges Gefüge mit harten Ausscheidungen, welches die Werkzeuglebensdauer bei der Zerspanung verkürzt und somit aktuell keine wirtschaftliche Herstellungsroute ermöglicht. Neben der fehlenden Werkzeugtechnologie stellt auch die Bearbeitungsstrategie der zunehmend komplexen Bauteilgeometrien bei gleichzeitiger Einhaltung der in der Luftfahrt hohen Sicherheitsanforderungen die Industrie vor große Herausforderungen.

Wirtschaftliche Finish-Bearbeitung durch ultraschallunterstütztes Fräsen

Im ZIM-Vorhaben „TeWuFeAl - Technologie und Werkzeuge für ultraschallunterstütztes Fräsen von Eisen- und Titan-Aluminid-Bauteilen" untersuchen Ingenieure aus der Werkzeugentwicklung und Anwendung sowie aus zwei Forschungsinstituten die Herstellbarkeit sicherheitsrelevanter Leichtbauteile aus FeAl und TiAl durch das besonders wirtschaftliche Kokillengussverfahren und die anschließende Zerspanung. Ziele sind neben der Optimierung der Gießtechnologie die Verringerung fertigungsbedingter Beanspruchungen sowie die deutliche Verbesserung der Oberflächengüte und Werkzeugstandzeit. Mithilfe des ultraschallunterstützen Fräsprozesses können eine Reduzierung des Belastungskollektives auf das Fräswerkzeug und eine damit einhergehende Standzeitverlängerung erreicht werden. Weitere positive Auswirkungen sind eine Reduzierung von Rauheit, Rissneigung etc. der Bauteile. Der Fokus auf die Oberflächenintegrität ermöglicht die Bearbeitung von Komponenten mit erhöhten Sicherheitsanforderungen, wie z. B. Turbinenschaufeln. Die Potentiale ultraschallunterstützter Zerspanung sollen dafür durch spezielle Werkzeugentwicklungen und adaptierte Bearbeitungsstrategien gezielt genutzt werden. Die Erkenntnisse helfen insbesondere KMU, diese innovativen Werkstoffe wirtschaftlich zu bearbeiten und Absatzmärkte zu erschließen. Die damit erreichbaren gewichtsoptimierten Bauteile und die verbesserte Situation beim Zerspanen führt zu einer signifikanten Einsparung an Energie, Werkstoff und Fertigungszeiten. Dies leistet einen wertvollen Beitrag zur Reduktion der CO₂-Emission bei der Herstellung und dem Betrieb, insbesondere von beweglichen Leichtbaukomponenten im Hochtemperaturbereich, und ist somit von hoher wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Relevanz.

Projektleitung

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Fachbereich Versuchsanlagen und Prüftechnik

Projektpartner

Access e.V. Forschungsinstitut für die Entwicklung und Optimierung von Prozessen für die Gießerei und metallverarbeitende Industrie
AWB Anlagen- und Werkzeugbau GmbH & Co. KG als Anwender der Zerspanung von Komponenten für die zivile Luftfahrt
Wolf Werkzeugtechnologie GmbH

Förderung

Das Projekt TeWuFeAl wird vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.