Strukturbauteil aus Titan mit gefrästen Taschen

Titan ist ein bei der Zerspanung extrem anspruchsvoller Werkstoff, der mit der Zunahme von Leichtbau und Co. immer häufiger eingesetzt wird. Zum Beispiel für Strukturbauteile in der Luftfahrt, wie im Bild zu sehen. Wie und womit die Herausforderungen zu bewältigen sind, erfahren Sie im Artikel. - Bild: Gühring

Besonders in der Luft- und Raumfahrttechnik steigt seit Jahren die Nachfrage nach möglichst effizienten Zerspanungslösungen zur Bearbeitung von Titan. Auch bei der Herstellung von Medizingeräten oder von Leichtbauteilen. Die Einsatzmöglichkeiten von Titan sind vielfältig und das Material bringt viele Vorteile, die Bearbeitung des sehr speziellen Werkstoffs ist allerdings häufig eine besondere Herausforderung.

Was sind die Herausforderungen bei der Titanzerspanung?

Titan zeichnet sich durch eine bemerkenswert hohe Festigkeit bei einer geringen Dichte aus. Es reagiert schnell mit dem Sauerstoff der Luft und es entsteht eine sehr beständige Oxidschicht, die vor Korrosion schützt. Diese Eigenschaften sind zugleich die Vorteile im Einsatz von Titan, aber auch die Nachteile bei der Zerspanung.

"Die starke Reaktivität mit Sauerstoff kann insbesondere bei hohen Temperaturen einen Werkzeugverschleiß durch Diffusion verursachen", erläutert Moritz König, Co-Founder und CEO von Facturee, die als Online-Fertiger auch Titanzerspanung anbieten.

Portrait von Moritz König. Mann mit Glatze und dunklem Bart in blauem Hemd.
Moritz König ist CEO des Online-Fertigers Facturee. - Bild: Facturee

Hohe Temperaturen entstehen bei der Titanzerspanung häufig, denn die Wärmeleitfähigkeit des Leichtmetalls ist sehr gering, weshalb die Werkzeuge eine hohe thermische Belastung erfahren. Warum genau erklärt König: "Die geringe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Warmfestigkeit führt zu einer hohen Temperaturbelastung der Schneide, da die Wärmeabfuhr – anders als beispielsweise bei Stahl – nur in geringem Ausmaß über Werkstück und Späne erfolgt."

Philipp Dahlhaus, Leiter Produktmanagement bei der Paul Horn GmbH, ergänzt: "Bei Stahl werden rund 80 Prozent der beim Zerspanprozess entstehenden Temperatur über die Späne abgeführt, bei Titan sind es dagegen nur 20 Prozent."

Weitere Einschränkungen entstehen durch das geringe Gewicht von Titan, das laut Dahlhaus ungefähr 40 Prozent unter dem von Stahl liegt. Dies bedinge eine Streckgrenze von bis zu 900 N/mm².

Portrait von Philipp Dahlhaus, Lächelnder Mann mit dunklen Haaren in dunkelblauem Anzug mit weißem Hemd und dunkelblauer Krawatte
Philipp Dahlhaus ist Leiter Produktmanagement bei der Paul Horn GmbH. - Bild: Horn

König sieht in der Steifigkeit von Titan weitere Herausforderungen: "Eigenschaften wie der relativ geringe Elastizitätsmodul, der bei der Bearbeitung Schwingungen verursachen kann, erhöhen die Komplexität der Anforderungen zusätzlich."

Außerdem ist Titan nicht gleich Titan, wie Dahlhaus erklärt: "Man unterscheidet zwischen dem eher harten Grad 5 (Ti-6AI-4V), welches zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz kommt und dem weicheren Grad 2, das aus 99,7 Prozent Reintitan besteht. Das technische Reintitan ist besonders korrosionsbeständig und findet daher vorwiegend in der Medizintechnik und Implantologie Verwendung." Für die verschiedenen Titan-Werkstoffe sind daher spezielle Bearbeitungsstrategien und -werkzeuge nötig.

Mit welchen Strategien und Technologien lassen sich die Herausforderungen bewältigen?

Sind einem die Eigenschaften von Titan bewusst, so lassen sich die Herausforderungen mit angepassten Bearbeitungsstrategien und adäquaten Werkzeugen lösen (eine Auswahl an Werkzeugen finden Sie weiter unten).

"Bei der Zerspanung von Titan sollten zum Beispiel hohe Schnittgeschwindigkeiten vermieden werden und es sollte mit relativ großem, gleichmäßigem Vorschub gearbeitet werden", erklärt König bezüglich der Bearbeitungsstrategie. "Der Einsatz von ausreichend Kühlmittel ist in den meisten Fällen unabdingbar."

Gibt man Aufträge für die Titan-Bearbeitung nach außen, dann solle man laut dem Facturee-CEO darauf achten, dass der bearbeitende Betrieb über die entsprechende Ausrüstung und das Know-how für diese Tätigkeit verfügt. "Facturee bietet als Online-Fertiger mit einem Netzwerk von mehr als 1.000 Fertigungspartnern die passende Lösung zum jeweiligen Bedarf an", berichtet König. "Wir wählen für die Fertigung von Titanteilen ausschließlich hoch spezialisierte Fertigungsunternehmen aus, die über ausreichend Erfahrung mit dem Werkstoff besitzen."

Zu der entsprechenden Ausrüstung gehören eben auch die Werkzeuge. König: "Bei der Zerspanung von Titan sollten speziell auf die Bearbeitung des Werkstoffs optimierte Werkzeuge, häufig aus Hartmetall, mit scharfen Schneiden eingesetzt werden, um Werkzeugversagen vorzubeugen."

Dahlhaus betont, dass es bei den eingesetzten Werkzeugen vor allem wichtig ist, die Reibung an der Schneide zu minimieren, da Titan zur Kaltverfestigung neigt. "Hierfür sind scharfe Werkzeuge ein Muss", so der Horn-Experte. "Substrat und Beschichtung müssen exakt aufeinander abgestimmt sein. Das passende Hartmetall-Substrat sorgt für eine hohe Warmfestigkeit und Zähigkeit des Werkzeugs bei hohen dynamischen Schnittkräften, die entsprechende Beschichtung ist für gute Gleiteigenschaften, hohe Temperaturen und gute Isolierung verantwortlich."

Diese besonderen Herausforderungen berücksichtige Horn beispielsweise bei der Optimierung des Frässystems DS für die produktive und wirtschaftliche Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen. Aber auch andere Hersteller bringen spezielle Werkzeuge für die Titanzerspanung auf den Markt.

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Welche speziellen Werkzeuge gibt es für die Zerspanung von Titan?

Die Redaktion von PRODUKTION hat bei diversen Werkzeug-Herstellern nachgefragt und einige innovative Titanwerkzeuge für Sie zusammengestellt.

Ceratizit: Monstermill TCR

Der Vollhartmetall-Fräser Monstermill TCR wurde speziell für die Titanzerspanung entwickelt. Vor allem die Geometrie wurde optimiert, aber auch das Material wurde an die Begebenheiten der Titanzerspanung angepasst.

Der VHM-Fräser verfügt über eine variable Drallsteigung und eine Ungleichteilung der Schneiden. Letztere soll eine optimierte Spanbildung ermöglichen. Das verwendete Hochleistungssubstrat verleiht dem Werkzeug eine hohe Zähigkeit und starke Biegebruchfestigkeit. Die Beschichtungstechnologie Dragonskin trägt dazu bei, dass der TCR thermischen Belastungen gut standhalten kann.

Ceratizit Monster Mill TCR
Der MonsterMill TCR von Ceratizit bietet laut Hersteller hohe Standzeiten und eine maximierte Prozesssicherheit bei der Bearbeitung von Titan. - Bild: Ceratizit

Gühring: Titanfräser RF 100 Ti Aircraft

Besonders für die Bearbeitung von Strukturbauteilen aus Titan für die Luftfahrt geeignet ist der Ratiofräser 100 Ti Aricraft von Gühring. Der Fräser ist auf Luftfahrtstandards angepasst und funktioniert unter konventionellen, aber auch modernen HPC-Frässtrategien.

Ein speziell angepasster Eckradius begünstigt die Spanformung und verbessert das Verschleißverhalten. Außerdem verhindert ein modifizierter und dem Schneidverhalten angepasster Kern ein Durchziehen der Späne im nächsten Schnitt. Das ermöglicht saubere Bauteiloberflächen und lange Standwege.

Gühring Titanfräser RF 100 Ti Aircraft
Der RF 100 Ti von Gühring besitzt eine spezielle Stirngeometrie, die prozesssicheres Fräsen, Nuten und Schruppen in Sonder- und Titanlegierungen ermöglichen soll. - Bild: Gühring

Hoffmann Group: Garant Master Titan

Die Garant Master Titan Produktfamilie der Hoffmann Group besteht aus Schruppfräsern, Schlichtfräsern, Torusfräsern, Stirntorusfräsern sowie Vollradiusfräsern. Auch Fräser für HPC (High Performance Cutting) und TPC (Troichoidal Performance Cutting) sind erhältlich. Alle sind abgestimmt auf die jeweilige Bearbeitungsart in Titan.

Auch hier wurden die Schneidengeometrie angepasst und ein besonderes Substrat verwendet. Laut Hersteller ist letzteres sogar so belastbar, dass die Fräser sogar weiterhin produktiv bleiben, wenn die Beschichtung bereits komplett verschlissen ist. Bei manchen Werkzeugen, wie beispielsweise dem VHM-Schlichtfräser HPC, konnte daher sogar komplett auf Beschichtungen verzichtet werden.

Hoffmann Group Garant Master Titan Produktfamilie
Die Garant Master Titan Reihe der Hoffmann Group bietet diverse Werkzeuge für die konventionelle Titanzerspanung, aber auch für High Performance Bearbeitungen. - Bild: Hoffmann Group

Horn: Frässystem DS

Werkzeughersteller Horn setzt bei der Optimierung von Werkzeugen für die Titanzerspanung vor allem auf ein spezielles Substrat: das IG3I. Das homogene Verschleißverhalten macht eine Erhöhung der Standzeiten möglich. Eine zusätzliche Beschichtung trägt dazu ebenfalls bei. Außerdem unterstützt sie die Schneidkantenstabilität.

Die Geometrie des Frässystems DS ist speziell angepasst: Die scharfe Mikrogeometrie an den Schneidkanten, positive Spanwinkel, große Freiwinkel und polierte Spanräume sollen beim Zerspanen von Titan einer Kaltverfestigung der Werkstückrandzone sowie Aufbauschneiden auf den Spanflächen vorbeugen. Variable Drallwinkel und unterschiedliche Zahnteilungen machen den Fräsprozess ruhiger.

Horn Frässystem DS
Das Frässystem DS von Horn wurde speziell für die Titanberarbeitung optimiert. - Bild: Paul Horn

Iscar: Multi-Master VHM-Fräsköpfe

Die Multi-Master-Werkzeuge von Iscar sind zum Vorschlichten, Schlichten oder 3D-Profilfräsen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, dem Werkzeug- und Formenbau sowie der Medizintechnik konzipiert.

Betreffend der Geometrie haben Anwender die Wahl zwischen Tropfen- oder Linsenform. Die Werkzeuge bestehen aus der TiAIN-PVD-beschichteten Feinstkorn-Schneidstoffsorte IC908. Neben Titan kann auch gut Inconel und rostfreier Stahl mit den Fräsköpfen bearbeitet werden.

Iscar Multi-Master Fräsköpfe
Die Vollhartmetall-Fräsköpfe mit Multi-Master-Schnittstelle von Iscar sollen die Oberflächengüte verbessern und die Bearbeitungszeit verringern. - Bild: Iscar

Kennametal: FBX Bohrer

Der FBX-Bohrer ist Teil eines Werkzeugkonzepts, das Kennametal entwickelt hat, um das Zerspanungsvolumen zu maximieren und die Zykluszeiten bei der Bearbeitung von Strukturbauteilen in der Luft- und Raumfahrt zu verringern. Dazu tragen vier effektive Schneiden am Außendurchmesser bei.

Die Flachgrund-Stirngeometrie des Bohrers leitet die Schnittkräfte in Richtung der Spindel. Dies reduziert die seitliche Werkzeugabdrängung, wodurch die Werkzeugstandzeit und das Zeitspanvolumen erhöht werden können.

Zum Werkzeugkonzept gehören außerdem der Harvi Ultra 8X Walzenstirnfräser und die Harvi VHM-Fräser.

Kennametal FBX Bohrer
Der modulare FBX-Bohrer von Kennametal liefert laut Hersteller maximale Zerspanraten bei der Bearbeitung von Strukturbauteilen. - Bild: Kennametal

Seco: Vollhartmetall-Tonnenfräser mit HXT-Beschichtung

Eine hohe Oberflächenqualität in schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Titan war das Ziel, das Seco bei der Entwicklung der VHM-Tonnenfräser im Auge hatte. Die entstandenen Werkzeuge ermöglichen nun außerdem größere Stepover bei gleichbleibender Schnittgeschwindigkeit und reduzieren den Zeitaufwand.

Die für die Tonnenfräsertechnologie benötigten Werkzeugbahnen werden über spezielle CAM-Programmiermodule generiert. Eingesetzt werden auch diese Werkzeuge typischerweise in der Luftfahrtindustrie, der Medizintechnik sowie dem Werkzeug- und Formenbau.

Seco Tools VHM-Tonnenfräser mit HXT-Beschichtung
Die VHM-Tonnenfräser mit HXT-Beschichtung von Seco Tools reduzieren laut Angaben des Herstellers die Bearbeitungsdauer und senken den Werkzeugbestand. - Bild: Seco Tools

Walter: VHM-Fräser MD377 Supreme und MC377 Advance

Walter hat gleich zwei genau auf die Fertigung von Titanbauteilen abgestimmte Fräser entwickelt. Der MD377 Supreme ist ein High-End-Spezialist für die Luft- und Raumfahrtindustrie, während der MC377 Advance universeller einsetzbar ist.

Beide Fräser eignen sich für eine Vielzahl von Einsatzgebieten: Schruppen, Schlichten, Semi-Schlichten, Vollnuten, Rampen, Schulter fräsen und Eintauchen. Mit dem MD377 ist auch dynamisches Fräsen möglich.

Walter VHM-Fräser MD377 Supreme und MC377 Advance
Die Walter Vollhartmetall-Fräser MD377 Supreme (oben) und MC377 Advance (unten) helfen bei der universellen und spezialisierten Titan-Bearbeitung. - Bild: Walter

Zecha: Kingfisher-Werkzeuge

Die Kingfisher-Serie von Zecha setzt auf ein spezielles VHM-Substrat und eine besonders stabile, leichtschneidende Geometrie mit drei Schneiden.

Das besondere an den Werkzeugen: ein ausgeklügeltes Kühlsystem: Ein Innenkühlsystem wird mit einer Powerkammer kombiniert, sodass das Kühlmedium im Kernbereich bis nahe an die Werkzeugspitze geführt wird und an einer oder mehreren Bohrungen gezielt in der Spankammer austritt. Die Powerkammer im Spanbereich erhöht die Durchflussmenge des Kühlmittels. So kann die Temperatur im Prozess gezielt reduziert werden.

Zecha Kingfisher Werkzeuge
Die Kingfisher-Werkzeuge von Zecha sind geometrisch an die Titanzerspanung angepasst und verfügen über eine spezielle Kühlung. - Bild: Zecha

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