Aerospace CNC-bewerking:lichtgewicht titanium onderdelen en meer

De wereldwijde lucht- en ruimtevaartindustrie is een broeinest van ontwerp- en fabricage-innovatie, met miljoenen en miljoenen complexe metalen onderdelen die jaarlijks worden geproduceerd.

Een belangrijk hulpmiddel in de lucht- en ruimtevaartindustrie is CNC-bewerking. Lucht- en ruimtevaartbewerking leidt tot geavanceerde vliegtuigonderdelen gemaakt van lichtgewicht metalen zoals titanium en aluminium, terwijl bewerking ook een waardevol prototyping-instrument is voor R&D-afdelingen in de ruimtevaart.

Lucht- en ruimtevaartbewerking omvat ook een scala aan toepassingen. Of het nu gaat om commerciële vliegtuigen, militaire voertuigen of zelfs ruimtevaart, CNC-bewerking speelt een grote rol bij de ontwikkeling en productie van precisiecomponenten voor de ruimtevaart.

Dit artikel geeft een overzicht van hoe CNC-bewerking wordt gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Het kijkt naar CNC-bewerkingstoepassingen in de lucht- en ruimtevaart, materialen voor lucht- en ruimtevaartbewerking en meer.

Wat is ruimtevaart?

Lucht- en ruimtevaart is een zeer diverse industrie met veel subsectoren, die alles bestrijken, van commerciële luchtvaart tot ruimteverkenning. De waarde ervan als wereldwijde industrie wordt geschat op ongeveer $ 800 miljard.

Lucht- en ruimtevaartproductie omvat de productie van onderdelen voor commerciële, industriële en militaire klanten, waarbij overheden enkele van de grootste aannemers in de sector zijn. In de Verenigde Staten zijn bijvoorbeeld de twee grootste afnemers van lucht- en ruimtevaartgoederen het ministerie van Defensie en NASA, het Amerikaanse luchtvaart- en ruimteonderzoeksbureau.

Vanwege het enorme aantal subsectoren van de lucht- en ruimtevaart en het enorme aantal toepassingen en producten binnen die subsectoren, vereist de lucht- en ruimtevaart een breed scala aan productietechnologieën, van traditionele technieken zoals gieten en lassen tot geavanceerde technologieën zoals additieve fabricage van metaal. Aerospace CNC-bewerkingscentrum bevindt zich ergens tussen die twee uitersten, omdat het een zeer gevestigde technologie is die niettemin geavanceerde ontwerp- en materiaalmogelijkheden biedt.

Wat is lucht- en ruimtevaartbewerking?

Verspanen is het fabricageproces waarbij delen van materiaal van een werkstuk worden verwijderd met behulp van machinaal bediende snijgereedschappen. En CNC-bewerking is een digitale versie van bewerking:computers besturen gemotoriseerde snijgereedschappen om snel en nauwkeurig nieuwe onderdelen te vormen.

Lucht- en ruimtevaart CNC-bewerking gaat bijna terug tot de uitvinding van CNC-bewerking zelf, in 1942. Een van de vroegste toepassingen van lucht- en ruimtevaart CNC-bewerking was de productie van schotten en vleugelhuiden. Tegenwoordig kunnen veel lucht- en ruimtevaartonderdelen worden bewerkt, zoals transmissies, landingsgestelcomponenten en elektrische componenten. Machinale bewerking kan ook worden gebruikt om bestaande onderdelen te repareren of aan te passen, om gedetailleerde functies toe te voegen of om gegraveerde tekstuele informatie zoals serienummers toe te voegen.

Aangezien veel machinale bewerkingen in de lucht- en ruimtevaart de productie van kritieke eindgebruikcomponenten omvatten, is precisiebewerking vereist met hoogwaardige 5-assige bewerkingscentra. Voor bepaalde onderdelen, bijvoorbeeld onderdelen van straalmotoren, kunnen toleranties van maar liefst 4 micron vereist zijn, veel strakker dan wat doorgaans acceptabel is tijdens CNC-bewerking.

Lucht- en ruimtevaartbewerking is ook een belangrijke vorm van prototyping tijdens onderzoek en ontwikkeling. CNC-machines zijn geschikt voor het maken van prototypes van metalen lucht- en ruimtevaartonderdelen die later zullen worden vervaardigd met behulp van giet- of andere technieken.

Lucht- en ruimtevaartonderdelen

Lucht- en ruimtevaartbewerking is verantwoordelijk voor veel lucht- en ruimtevaartonderdelen, van essentiële onderdelen van titanium straalmotoren tot lichtgewicht plastic interieuronderdelen voor de cabine.

Onderdelen die zich lenen voor CNC-bewerking in de lucht- en ruimtevaart zijn doorgaans onderdelen met een klein volume die hoge sterkte en fijne eigenschappen vereisen. Dergelijke onderdelen zijn over het algemeen beperkt in grootte door de grootte van CNC-bewerkingscentra, maar er kunnen verschillende materialen worden gebruikt - meestal titanium of aluminiumlegeringen, maar er zijn ook andere opties zoals technische kunststoffen en composieten beschikbaar. Sommige onderdelen kunnen alleen nabewerkt worden, nadat ze gegoten of geëxtrudeerd zijn.

Lucht- en ruimtevaartbewerking kan worden gebruikt voor prototypen en onderdelen voor eindgebruik. Onderdelen voor eindgebruik moeten echter voldoen aan strikte veiligheidscriteria, normen en certificeringen.

Bewerkbare ruimtevaartonderdelen omvatten (maar zijn niet beperkt tot):

• Onderdelen van het landingsgestel
• Turbinebladen en andere onderdelen van straalmotoren
• Motorbehuizingen
• Zuurstofgeneratiesystemen
• Filterlichamen voor vloeistof- en luchtfiltratiesystemen
• Elektrische connectoren voor elektrische systemen
• Bewegingscontroles
• Aandrijvingen
• Fuselage componenten
• Vleugelribben
• Schijven
• As voor krachtoverbrenging
• Raketbehuizingen en andere componenten
• Cabine onderdelen
• Zitplaatsen, armleuningen en dienbladen

Certificeringen voor lucht- en ruimtevaartbewerking

Aerospace CNC-bewerking is een kritieke procedure die geen ruimte laat voor fouten. Waar sommige industrieën losse toleranties en materiaalvariaties toestaan, vereist de lucht- en ruimtevaart totale precisie en consistentie om de veiligheid van mensen te garanderen.

Verschillende toepassingen en onderdelen moeten aan verschillende normen en certificeringen voldoen, en er zijn zowel landspecifieke als internationale normen. Een bijzonder belangrijke certificering die op veel toepassingen van toepassing is, is echter de AS9100 certificering, een internationale SAE-standaard die wordt toegekend aan leveranciers en die wordt beschreven als een "model voor kwaliteitsborging in ontwerp, ontwikkeling, productie, installatie en onderhoud" in de lucht- en ruimtevaart.

Een uitbreiding van ISO 9001 , de AS9100-certificering is niet vereist voor de productie van alle onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart, maar klanten kunnen leveranciers zoeken met de certificering om de kwaliteit te garanderen.

Andere belangrijke certificeringen voor lucht- en ruimtevaartbewerking zijn onder meer ITAR (International Traffic in Arms Regulations), een reeks richtlijnen van het Amerikaanse ministerie van Buitenlandse Zaken waarin de Amerikaanse vereisten worden uiteengezet voor de verkoop en productie van technologie op de Amerikaanse munitielijst, en AS9102 First Article Inspection Reports , die aangeven dat wordt voldaan aan de verificatie-eis voor lucht- en ruimtevaartonderdelen.

Dergelijke certificeringen zijn niet per se vereist voor het maken van prototypes in de ruimtevaart, aangezien prototypes niet zullen worden gebruikt op actieve vliegtuigen.

Materialen voor lucht- en ruimtevaart

CNC-bewerking is een veelzijdig proces dat kan worden gebruikt om componenten te maken van zowel metalen als kunststoffen. In de lucht- en ruimtevaart heersen echter twee specifieke metalen:titanium en aluminium. Dit komt door de hoge sterkte (vooral titanium) en het lichte gewicht (vooral aluminium) van de materialen.

Titaniumlegeringen

Geen enkele industrie wereldwijd gebruikt meer titaniumlegeringen dan de ruimtevaart. Het is gemakkelijk in te zien waarom dit zo is:het metaal heeft een uitstekende sterkte-gewichtsverhouding, is bestand tegen corrosie en presteert op een hoog niveau bij extreme temperaturen. Titanium is een basismateriaal geworden in de lucht- en ruimtevaartproductie en het gebruik ervan zal de komende eeuw nog verder toenemen.

Vliegtuigen die grote hoeveelheden titanium gebruiken voor hun verschillende componenten, zijn onder meer bedrijfsvoertuigen zoals de AirBus A380 en Boeing B787, evenals militaire vliegtuigen zoals de F-22, F/A-18 en UH-60 Black Hawk-helikopter.

Onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart van titanium omvatten onderdelen van casco's en straalmotoren, zoals schijven, bladen, assen en behuizingen. Veel hiervan kunnen worden bewerkt.

Omdat titanium harder is dan aluminium, kan het lastiger zijn om een ​​CNC-machine te bewerken, waardoor gereedschapslijtage en warmteophoping ontstaan. Dit betekent dat het machinaal bewerken van titanium in de ruimtevaart een lager toerental van de machine en een grotere spaanbelasting kan vereisen. (Zie onze gids voor het bewerken van titanium voor meer informatie.) Aangezien het machinaal bewerken van lucht- en ruimtevaart doorgaans de meest geavanceerde en hoogwaardige bewerkingsapparatuur omvat, is dit zelden een probleem.

Aluminium legeringen

Een ander veelgebruikt metaal in de lucht- en ruimtevaartbewerking - en een metaal dat al langer bestaat dan titanium en moderne composieten - is aluminium.

Aluminiumlegeringen zijn lichtgewicht en hebben een hoge treksterkte. Aluminium vormt een oxidelaag wanneer het wordt blootgesteld aan lucht, waardoor het corrosiebestendig is, en het is ook zeer goed vormbaar (meer dan titanium), waardoor het gemakkelijk te CNC-bewerken is.

Bij CNC-bewerkingen in de ruimtevaart is de meest voorkomende aluminiumlegering aluminium 7075, waarvan het belangrijkste legeringselement zink is. Hoewel niet zo bewerkbaar als andere legeringen, heeft 7075 een uitstekende vermoeiingssterkte. Veel vleugel-, romp- en draagconstructiecomponenten zijn gemaakt van dit materiaal.

Andere bewerkbare aluminiumlegeringen voor de ruimtevaart zijn 4047 (bekleding/vulmiddel), 6951 (vinnen) en 6063 (structureel). Legeringen uit de 6000-serie worden over het algemeen als beter bewerkbaar beschouwd dan andere.

Inconel-superlegeringen

De Special Metals Corporation heeft een reeks austenitische superlegeringen op basis van nikkel-chroom ontwikkeld, Inconel genaamd.

Een bepaalde kwaliteit van het materiaal, Inconel 718, is speciaal ontwikkeld voor ruimtevaarttoepassingen. Een van de eerste spraakmakende toepassingen was voor de straalmotordiffusorbehuizing (een extreem hogedrukonderdeel dat de compressor met de verbrandingskamer verbindt) van de Pratt &Whitney J58-motor, die werd gebruikt in voertuigen zoals de Lockheed SR-71 Blackbird .

Inconel 718 is meer recentelijk gebruikt door Elon Musk's SpaceX in het motorspruitstuk van zijn Merlin-motor, die het Falcon 9-lanceringsvoertuig aandrijft. Het wordt ook aangetroffen in andere lucht- en ruimtevaartcomponenten zoals turbinebladen, leidingsystemen en motoruitlaatsystemen.

Als gehard metaal moet Inconel 718 met zo min mogelijk passages worden bewerkt; machinisten gebruiken meestal een agressieve maar langzame snede met behulp van een hard snijgereedschap. De superlegering is echter goed lasbaar.

Technische kunststoffen

Naast metalen zoals titanium en aluminium, kan machinale bewerking in de ruimtevaart het gebruik van hoogwaardige kunststoffen zoals PEEK, polycarbonaat en Ultem inhouden.

Kunststoffen kunnen een nuttige vervanging zijn voor metalen vanwege hun zeer lichte gewicht, goede slag- en trillingsbestendigheid, afdichtingseigenschappen en chemische bestendigheid. Ze bieden ook superieure elektrische isolatie voor metalen.

Lucht- en ruimtevaart CNC-bewerking van technische kunststoffen kan lucht- en ruimtevaartonderdelen produceren zoals cabine-interieurs, dienbladtafels, armleuningen, behuizingen, slijtplaten, isolatie, buizen, klepcomponenten en instrumentenpanelen met achtergrondverlichting.

Een belangrijke overweging is dat kunststoffen uit de ruimtevaart moeten voldoen aan specifieke eisen op het gebied van vlammen, rook en toxiciteit. Geschikte materialen zijn onder andere nylon (bepaalde kwaliteiten waaronder nylon 6), PEEK, Ultem en PPS.