Precisie CNC-bewerking in de Luchtvaart: Vervaardiging van Lichte Titanium- en Aluminiumonderdelen

De wereldwijde luchtvaartindustrie is een broedplaats voor ontwerp- en productie-innovatie, met miljoenen complexe metalen onderdelen die jaarlijks worden geproduceerd.

Een belangrijk instrument ter beschikking van de luchtvaartindustrie is CNC-bewerking. Luchtvaartbewerking leidt tot geavanceerde vliegtuigonderdelen gemaakt van lichte metalen zoals titanium en aluminium, terwijl bewerking ook een waardevol prototyping-hulpmiddel is voor R&D-afdelingen in de luchtvaart.

Luchtvaartbewerking omvat een breed scala aan toepassingen. Of het nu gaat om commerciële vliegtuigen, militaire voertuigen of zelfs ruimtevaart, CNC-bewerking speelt een enorme rol in de ontwikkeling en productie van precisieluchtvaartcomponenten.

Dit artikel dient als overzicht van hoe CNC-bewerking in de luchtvaartindustrie wordt gebruikt. Het bekijkt toepassingen van luchtvaart-CNC-bewerking, materialen voor luchtvaartbewerking, en meer.

Wat is de luchtvaart?

De luchtvaart is een uiteenlopende industrie die veel subsectoren omvat, van commerciële luchtvaart tot ruimtevaart. De waarde als wereldwijde industrie wordt geschat op ongeveer 800 miljard dollar.

Luchtvaartproductie omvat de productie van onderdelen voor commerciële, industriële en militaire klanten, waarbij regeringen de grootste opdrachtgevers zijn. In de Verenigde Staten zijn bijvoorbeeld het Departement van Defensie en NASA, het landelijke luchtvaart- en ruimtevaartonderzoeksagentschap, de twee grootste kopers van luchtvaartgoederen.

Vanwege het grote aantal luchtvaartsubsectoren en het enorme aantal toepassingen en producten binnen die subsectoren, vereist de luchtvaart een breed scala aan productietechnologieën, van traditionele technieken zoals gieten en lassen tot high-tech technologieën zoals metalen additieve productie. CNC-bewerking voor de luchtvaart ligt ergens tussen die twee extremen in: een zeer gevestigde technologie die toch high-end ontwerp- en materiaalmogelijkheden biedt.

Wat is luchtvaartbewerking?

Bewerking is het productieproces van het verwijderen van secties materiaal van een werkstuk met behulp van machinegestuurde snijgereedschappen. CNC-bewerking is een digitale versie van bewerking: computers sturen gemotoriseerde snijgereedschappen aan om snel en precies nieuwe onderdelen te vormen.

Luchtvaart-CNC-bewerking gaat bijna terug tot de uitvinding van CNC-bewerking zelf, in 1942. Een van de vroegste toepassingen was de productie van schotten en vleugelvellen. Vandaag de dag kunnen veel luchtvaartonderdelen worden bewerkt, zoals transmissies, landingsgestelonderdelen en elektrische componenten. Bewerking kan ook worden gebruikt om bestaande onderdelen te repareren of te wijzigen, gedetailleerde kenmerken toe te voegen, of gegraveerde tekstuele informatie zoals serienummers aan te brengen.

Omdat veel luchtvaartbewerkingsopdrachten de productie van kritieke eindgebruiksonderdelen omvatten, is precisiebewerking vereist met high-end 5-as bewerkingscentra. Bepaalde onderdelen - straalmotorcomponenten bijvoorbeeld - kunnen toleranties van slechts 4 micron vereisen, ver strakker dan wat typisch acceptabel is tijdens CNC-bewerking.

Luchtvaartbewerking is ook een belangrijke vorm van prototyping tijdens onderzoek en ontwikkeling. CNC-machines zijn geschikt voor het prototypen van metalen luchtvaartonderdelen die later worden geproduceerd met gieten of andere technieken.

Gebeurkte luchtvaartonderdelen

Luchtvaartbewerking is verantwoordelijk voor veel luchtvaartonderdelen, van vitale titanium straalmotorcomponenten tot lichte kunststof interieur cabineonderdelen.

Onderdelen die zich lenen voor luchtvaart-CNC-bewerking zijn doorgaans laag-volume onderdelen die hoge sterkte en fijne details vereisen. Dergelijke onderdelen zijn doorgaans beperkt in grootte door de grootte van CNC-bewerkingscentra, maar verschillende materialen kunnen worden gebruikt - meestal titanium- of aluminiumlegeringen, maar met andere opties zoals engineering kunststoffen en composieten ook beschikbaar. Sommige onderdelen kunnen alleen na-bewerkt worden, na gieten of extruderen.

Luchtvaartbewerking kan worden gebruikt voor prototypes en eindgebruiksonderdelen. Eindgebruiksonderdelen moeten echter strikte veiligheidscriteria, standaarden en certificeringen nakomen.

Bewerkbare luchtvaartonderdelen omvatten (maar zijn niet beperkt tot):

• Landingsgestelonderdelen
• Turbineschoven en andere straalmotorcomponenten
• Motorbehuizingen
• Zuurgeneratiesystemen
• Filterhuizen voor vloeistof- en luchtfiltratiesystemen
• Elektrische connectoren voor elektrische systemen
• Bewegingsbesturingen
• Actuatoren
• Rumpfcomponenten
• Vleugelribben
• Schijven
• Assen voor krachtoverdracht
• Rakethuizen en andere componenten
• Cabineonderdelen
• Zittingen, armsteunen en dienbladen

Certificeringen voor luchtvaartbewerking

Luchtvaart-CNC-bewerking is een kritische procedure die geen ruimte laat voor fouten. Waar sommige industrien losse toleranties en materiaalvariaties toelaten, eist de luchtvaart totale precisie en consistentie om de veiligheid van mensen te garanderen.

Verschillende toepassingen en onderdelen moeten aan verschillende standaarden en certificeringen voldoen, en er zijn landsspecifieke standaarden naast internationale. Een bijzonder belangrijke certificering die van toepassing is op veel toepassingen is de AS9100 certificering, een SAE internationale standaard die wordt toegekend aan leveranciers en wordt beschreven als een "Model voor Kwaliteitsborging in Ontwerp, Ontwikkeling, Productie, Installatie en Service" in de luchtvaart.

Een uitbreiding van ISO 9001, is de AS9100 certificering niet vereist voor alle luchtvaartonderdeelproductie, maar klanten kunnen leveranciers met de certificering zoeken om kwaliteit te garanderen.

Andere belangrijke certificeringen voor luchtvaartbewerking omvatten ITAR (International Traffic in Arms Regulations), een set richtlijnen van het Amerikaanse Ministerie van Buitenlandse Zaken die de Amerikaanse eisen voor het verkopen en produceren van technologie op de Amerikaanse Munitieslijst beschrijft, en AS9102 First Article Inspection Reports, die de naleving van de verificatievereiste voor luchtvaartonderdelen aangeven.

Dergelijke certificeringen zijn niet noodzakelijk vereist voor luchtvaartprototyping, aangezien prototypes niet op actieve vliegtuigen worden gebruikt.

Materialen voor luchtvaartbewerking

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

Titaniumlegeringen

Geen industrie ter wereld gebruikt meer titaniumlegering dan de luchtvaart. Het is makkelijk te zien waarom: het metaal heeft een uitstekende sterkte-gewichtsverhouding, weerstaat corrosie, en presteert op hoog niveau bij extreme temperaturen. Titanium is een vast materiaal in de luchtvaartproductie geworden, en het gebruik zal de komende eeuw nog verder toenemen.

Vliegtuigen die grote hoeveelheden titanium gebruiken voor hun verschillende componenten omvatten commerciële voertuigen zoals de Airbus A380 en Boeing B787, alsook militaire vliegtuigen zoals de F-22, F/A-18, en UH-60 Black Hawk helicopter.

Titanium luchtvaartonderdelen omvatten vliegtuigcellen en straalmotorcomponenten, zoals schijven, schoven, assen, en behuizingen. Veel van deze kunnen worden bewerkt.

Omdat titanium harder is dan aluminium, kan het lastiger zijn om te CNC-bewerken, wat gereedschapslijtage en hitteopbouw veroorzaakt. Dit betekent dat luchtvaartbewerking van titanium een verminderde machine toer en een grotere spaanbelasting kan vereisen. (Zie onze gids over het bewerken van titanium voor meer informatie.) Echter, aangezien luchtvaartbewerking doorgaans de meest geavanceerde en high-end bewerkingsapparatuur betreft, is dit zelden een probleem.

Aluminiumlegeringen

Een ander wijd gebruikt metaal in luchtvaartbewerking - en een dat al langer bestaat dan titanium en moderne composieten - is aluminium.

Aluminiumlegeringen zijn lichtgewicht en hebben een hoge trekkracht. Aluminium vormt een oxidecoating bij blootstelling aan lucht, wat het corrosiebestendig maakt, en het is ook hoog vormbaar (meer dan titanium), wat het makkelijk te CNC-bewerken maakt.

In luchtvaart-CNC-bewerking is de meest voorkomende aluminiumlegering aluminium 7075, wiens hoofdelegeringselement zink is. Hoewel niet zo bewerkbaar als andere legeringen, heeft 7075 een uitstekende vermoeidheidssterkte. Veel vleugel, romphulpstructuurcomponenten zijn gemaakt van dit materiaal.

Andere bewerkbare luchtvaart aluminiumlegeringen omvatten 4047 (bekleding/vulstof), 6951 (rippen), en 6063 (structureel). 6000-series legeringen worden over het algemeen als meer bewerkbaar beschouwd dan anderen.

Inconel superlegeringen

De Special Metals Corporation heeft een reeks austenitische nikkel-chroom-gebaseerde superlegeringen ontwikkeld genaamd Inconel.

Een bepaalde kwaliteit van het materiaal, Inconel 718, is specifiek ontwikkeld voor luchtvaartoepassingen. Een van de eerste hoog-profiel toepassingen was voor de straalmotor diffuser behuizing (een extreem hoogdruk onderdeel dat de compressor verbindt met de verbrander) van de Pratt & Whitney J58 motor, die werd gebruikt in voertuigen zoals de Lockheed SR-71 Blackbird.

Inconel 718 is recent ook gebruikt door Elon Musk's SpaceX in de motor manifold van de Merlin motor, die de Falcon 9 lancervoertuig aandrijft. Het wordt ook gevonden in andere luchtvaartcomponenten zoals turbineschoven, afvoersystemen, en motoruitlaatsystemen.

Als een werkverhard metal, moet Inconel 718 worden bewerkt met zo min mogelijke passes; bewerkers gebruiken typisch een agressieve maar langzame snede met een hard snijgereedschap. De superlegering heeft echter goede lasbaarheid.

Engineering kunststoffen

Naast metalen zoals titanium en aluminium, kan luchtvaartbewerking het gebruik van high-performance kunststoffen omvatten zoals PEEK, polycarbonaat, en Ultem.

Kunststoffen kunnen een nuttige vervanging zijn voor metalen vanwege hun zeer lichte gewicht, goede impact- en trillingsweerstand, afdichtingseigenschappen, en chemische weerstand. Ze bieden ook superieure elektrische isolatie ten opzichte van metalen.

CNC-bewerking van engineering kunststoffen voor de luchtvaart kan onderdelen produceren zoals cabine interieurs, dienbladen, armsteunen, behuizingen, slijtvlakken, isolatie, buizen, klepcomponenten, en achterverlichte instrumentenpanelen.

Een belangrijke overweging is dat luchtvaartkunstoffen aan specifieke brand-, rook-, en toxiciteitseisen moeten voldoen. Geschikte materialen omvatten Nylon (bepaalde graden inclusief Nylon 6), PEEK, Ultem, en PPS.