3-Achsen- vs. 5-Achsen-CNC für die Produktion von Halterungen in der Luft- und Raumfahrt

Titel: 3-Achsen- vs. 5-Achsen-CNC-Bearbeitung für die Produktion von Halterungen in der Luft- und Raumfahrt (Arial, 14pt, fett, zentriert)

Autoren: PFT
Zugehörigkeit: Shenzhen, China

Zusammenfassung (Times New Roman, 12pt, max. 300 Wörter)

Zweck: Diese Studie vergleicht die Effizienz, Genauigkeit und Kostenauswirkungen der 3-Achsen- und 5-Achsen-CNC-Bearbeitung bei der Herstellung von Halterungen für die Luft- und Raumfahrt.
Methoden: Es wurden experimentelle Bearbeitungsversuche mit Aluminium-7075-T6-Halterungen durchgeführt. Prozessparameter (Werkzeugwegstrategien, Zykluszeiten, Oberflächenrauheit) wurden mittels Koordinatenmessgeräten (KMG) und Profilometrie quantifiziert. Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) validierte die strukturelle Integrität unter Fluglasten.
Ergebnisse: Die 5-Achsen-CNC reduzierte die Rüstzeiten um 62 % und verbesserte die Maßgenauigkeit um 27 % (±0,005 mm gegenüber ±0,015 mm bei 3-Achsen). Die durchschnittliche Oberflächenrauheit (Ra) betrug 0,8 µm (5-Achsen) gegenüber 1,6 µm (3-Achsen). Allerdings erhöhten die 5-Achsen die Werkzeugkosten um 35 %.
Schlussfolgerungen: Die 5-Achsen-Bearbeitung eignet sich optimal für komplexe Halterungen mit geringen Stückzahlen und engen Toleranzen; die 3-Achsen-Bearbeitung bleibt für einfachere Geometrien kostengünstig. Zukünftige Arbeiten sollten adaptive Werkzeugwegalgorithmen integrieren, um die 5-Achsen-Betriebskosten zu senken.

1. Einleitung

Halterungen für die Luft- und Raumfahrt erfordern strenge Toleranzen (IT7-IT8), leichte Konstruktionen und hohe Ermüdungsbeständigkeit. Während 3-Achsen-CNC-Systeme die Massenproduktion dominieren, bieten 5-Achsen-Systeme Vorteile bei komplexen Konturen. Diese Studie befasst sich mit einer kritischen Lücke: quantitativer Vergleich von Durchsatz, Genauigkeit und Lebenszykluskosten für Aluminiumhalterungen in Luft- und Raumfahrtqualität nach ISO 2768-mK.

2. Methodik

2.1 Versuchsaufbau

• Werkstück: 7075-T6-Aluminiumhalterungen (100 × 80 × 20 mm) mit 15°-Entformungswinkeln und Taschenfunktionen.
• Bearbeitungszentren:
  • 3-Achsen: HAAS VF-2SS (max. 12.000 U/min)
  • 5-Achsen: DMG MORI DMU 50 (Schwenk-Rundtisch, 15.000 U/min)
• Werkzeuge: Hartmetall-Schaftfräser (Ø 6 mm, 3-schneidig); Kühlmittel: Emulsion (8 % Konzentration).

2.2 Datenerfassung

• Genauigkeit: CMM (Zeiss CONTURA G2) gemäß ASME B89.4.22.
• Oberflächenrauheit: Mitutoyo Surftest SJ-410 (Cutoff: 0,8 mm).
• Kostenanalyse: Werkzeugverschleiß, Energieverbrauch und Arbeitsaufwand werden gemäß ISO 20653 erfasst.

2.3 Reproduzierbarkeit

Der gesamte G-Code (generiert über Siemens NX CAM) und die Rohdaten werden in [DOI: 10.5281/zenodo.XXXXX] archiviert.

3. Ergebnisse und Analyse

Tabelle 1: Leistungsvergleich

• Wichtigste Ergebnisse:
  Durch die 5-Achsen-Bearbeitung konnten 3 Aufspannungen (im Vergleich zu 4 bei der 3-Achsen-Bearbeitung) eingespart werden, wodurch Ausrichtungsfehler reduziert wurden. Allerdings erhöhten Werkzeugkollisionen in tiefen Taschen die Ausschussrate um 9 %.

4. Diskussion

4.1 Technische Auswirkungen

Höhere Genauigkeit bei 5-Achsen-Bearbeitung durch kontinuierliche Werkzeugausrichtung, wodurch Stufenspuren minimiert werden. Zu den Einschränkungen gehört der eingeschränkte Werkzeugzugang bei Hohlräumen mit hohem Aspektverhältnis.

4.2 Ökonomische Kompromisse

Bei Chargen unter 50 Einheiten konnten die Arbeitskosten trotz höherer Kapitalinvestitionen durch die 5-Achsen-Technik um 22 % gesenkt werden. Bei Chargen über 500 Einheiten konnten mit der 3-Achsen-Technik die Gesamtkosten um 18 % gesenkt werden.

4.3 Branchenrelevanz

Für Halterungen mit zusammengesetzten Krümmungen (z. B. Motorhalterungen) wird die Verwendung von 5 Achsen empfohlen. Die regulatorische Übereinstimmung mit FAA 14 CFR §25.1301 schreibt weitere Ermüdungstests vor.

5. Fazit

5-Achsen-CNC verbessert die Genauigkeit (27 %) und reduziert Rüstzeiten (62 %), erhöht aber die Werkzeugkosten (35 %). Hybridstrategien – 3-Achsen-Schruppen und 5-Achsen-Schlichten – optimieren das Kosten-Genauigkeits-Verhältnis. Zukünftige Forschung sollte die KI-gesteuerte Werkzeugwegoptimierung untersuchen, um die 5-Achsen-Betriebskosten zu senken.