Werkzeug- und Reparaturverfahren Beschichtungen für Leichtbauteile beflügeln die Luftfahrt

Um als Zulieferer für internationale Flugzeughersteller wettbewerbsfähig zu bleiben, muss der Luftfahrtzulieferer FACC aus Österreich hochwertige, aufwendig herzustellende Faserverbundteile immer kostengünstiger anbieten. Dies gelingt nur, wenn Fertigungsprozesse bei einem deutlich reduzierten Reparaturaufwand optimiert werden.

Der börsennotierte Konzern aus dem Innviertel hat deshalb in den vergangenen Jahren verschiedenste Beschichtungsverfahren zur Verbesserung der Oberflächenhärte seiner Werkzeuge getestet, um die Standzeit der Werkzeuge – und somit die Produktivität – zu erhöhen. Um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen, hat das Unternehmen in einem Kooperationsprojekt auf das Einbeziehen von Partnerunternehmen gesetzt.

Beschichtung zur Reparatur

„Das Endergebnis zeigt, dass die Zusammenarbeit mit anderen Unternehmen sehr viel Sinn macht, wenn es um spezielle Aufgabenstellungen geht“, sagt Robert Machtlinger, CEO von FACC. „Daraus hervorgehende Innovationen stärken die Position von FACC als Technologiepartner der globalen Aerospace-Industrie nachhaltig.“

FACC hat mit Unterstützung der Projektpartner nun verschiedene Beschichtungen als Reparaturlösung für beschädigte Werkzeuge gefunden. Die Anzahl der notwendigen Werkzeugreparaturen sowie damit auch die Wartungs- und Reparaturkosten sollen sich dadurch deutlich verringert haben. Bei FACC sind mittlerweile 26 speziell bearbeitete Auflegewerkzeuge im Serieneinsatz.

Wartungen ergonomischer machen

Für den Luftfahrtzulieferer haben die neuen Anti-Haftoberflächen noch weitere Vorteile. So können die Compositebauteile nun schneller entformt werden. Auch die Oberflächenqualität der mit den Werkzeugen hergestellten Faserverbundbauteile soll sich merklich verbessert haben.

Letztendlich profitieren auch die Mitarbeiter in der Produktion von den neuen Entwicklungen. Durch den geringeren Wartungsaufwand haben sich Wartungsarbeiten wie Schleifen, die oft in ergonomisch ungünstiger Körperhaltung durchgeführt werden müssen, deutlich verringert.

Technologischer Hintergrund

Bei der Herstellung von Faserverbund-Bauteilen (Composites) werden sogenannte Auflegewerkzeuge eingesetzt. Auf diesen Werkzeugen, die entsprechend dem künftigen Bauteil geformten sind (Negativstempel), werden im Reinraum vorkonfektionierte, harzimprägnierte Glasfaserlagen (Prepregs) und Wabenkerne aufgelegt und anschließend im Autoklaven bei circa 130 °C unter Druck ausgehärtet.

Nach dem Aushärten wird das Bauteil entformt und weiterbearbeitet. Das Auflegewerkzeug wird je nach Oberflächenzustand grob manuell gereinigt oder lasergestrahlt, gewartet, geschliffen und wieder in den Produktionsprozess eingeschleust.

Aufwendige Nachbearbeitung

FACC setzt für seine Auflege- beziehungsweise Aushärtewerkzeuge meist Aluminium ein. Das Material heizt sich aufgrund der geringeren Dichte im Vergleich zu anderen Materialien wie Stahl, Nickel oder Invar deutlich rascher auf und ist zudem von den Herstellungskosten kostengünstiger. Aluminium ist daher für die komplexen Werkzeuge für das Aushärten der Faserverbundbauteile im Autoklaven das Material der Wahl.

Nach zehn bis 15 Zyklen muss das Werkzeug allerdings aufwendig nachbearbeitet werden. Ursachen sind neben Harzen, die aus dem Composite-Bauteil austreten, auch Oberflächenbeschädigungen wie Kratzer und Eindruckstellen. Dies wird natürlich durch die geringe Oberflächenhärte des gewählten Materials begünstigt.

Viele Versuchsreihen bis zur Serienreife

Nach der Erstellung eines Anforderungskataloges an die Werkzeugoberflächen und einer intensiven Marktrecherche wurden die verschiedenen Lösungsansätze priorisiert und mögliche Werkzeugbeschichtungsprozesse entwickelt. Zwei Ansätze wurden dabei ausgewählt: Bei einem wurde eine mechanische Steigerung der Oberflächenhärte durch Kaltverformung erzielt, beim anderen wurden die Oberflächeneigenschaften durch elektrolytische oder chemische Prozesse verändert.

Anhand von Musterbauteilen wurden die Prozesse ausführlich getestet. Das Projektteam setzte Werkzeuge aus Aluminium und aus verschiedenen Stahllegierungen ein. Metallische Flammspritzbeschichtungen, Kunststoffbeschichtungen, Trennfolien, der Einsatz von Keramikpartikeln oder mechanischer Verfestigung durch „Klopfen“ wurden in den unterschiedlichen Bereichen ausgetestet. An absichtlich produzierten Schadmustern fanden Reparaturversuche statt.

Im Zuge dessen wurden mehrere Aushärtewerkzeuge mit vielversprechenden Lösungsansätzen konstruiert, die den hohen Ansprüchen an die Formtoleranzen und der notwendigen absoluten Vakuumdichtheit gerecht waren. Schließlich fertigten die Experten ein Prototypen-Werkzeug aus Aluminiumguss auch mechanisch. Mit der gewählten Beschichtung erfolgte die Feuertaufe für die Serie.

Die Projektpartner

• FACC Operations (Projektkoordinator)

• Tech-Con, Rupert Salletmaier

• Leicht-Metall-Technik

Der Mechatronik-Cluster ist eine gemeinsame Initiative der Länder Oberösterreich und Niederösterreich. Träger sind die regionalen Standortagenturen Business Upper Austria und Ecoplus.