Een internationaal onderzoeksproject, waarbij Seco Tools, de universiteit van Nottingham en enkele bedrijven betrokken zijn, laat goede resultaten zien bij het laser ondersteund frezen van Metal Matrix Composites (MMC, zoals versterkt titanium). Zo’n lichtgewicht materiaal zou zo maar staal in een landing gear kunnen vervangen. Dat scheelt tijdens het vliegen jaarlijks tonnen CO2.
Histoire se répète. Blijkbaar ook in de verspaning, maar dan wel aangepast aan de huidige stand van de technologie en andere materialen. Tien jaar geleden integreerde men in Duitsland een laser in een CNC-draaibank om draaien en lokaal harden in één opspanning te doen. De Universiteit van Nottingham heeft de afgelopen tien jaar ervaring opgedaan met het ondersteunen van het freesproces met de laser, maar dan bij het bewerken van nikkellegeringen en met als doel om de slijtage van wisselplaten te verkleinen. “We hebben een strategie ontwikkeld om de laserstraal te controleren en te focussen op dezelfde temperatuur en verdeling. Dit was zo succesvol dat we besloten om het uit te breiden naar moeilijker te bewerken materiaal”, zegt Associate Professor Dr Zhirong Liao.
Seco Tools onderzoekt samen met partners hoe lichtere en sterkere materialen voor landing gear efficiënter te frezen
Thermach project
Dat is dus een MMC geworden van titanium met aluminium silicium carbide. In het Thermach project (Thermal Machining) werken naast Seco Tools en de Universiteit van Nottingham ook Tisics (materiaalleverancier), Optek (laserspecialist) en Attenborough Medical samen. In het project is gekeken naar de inzet van laser- en inductie ondersteund CNC frezen. Hoewel het project nog niet is afgerond, zijn de resultaten wat betreft de laser erg positief. In het project wordt het titaniumcomposiet vlak voor het snijgereedschap met de laser opgewarmd. Het materiaal wordt plastisch of smelt, waardoor het gemakkelijker te frezen is. Hiermee lost men een van de grootste nadelen van Metal Matrix Composieten (MMC’s) zoals titanium en aluminium silicium carbide op, namelijk het feit dat deze lichte en sterke materialen moeilijk zijn te frezen. Moeilijk moet dan vooral gezien worden in de hoge gereedschapslijtage door de hoog oplopende temperaturen. PCD gecoate gereedschappen zijn hier het antwoord op, maar volgens de onderzoekers nog steeds kostbaar en door de hoge slijtage zorgen ze voor veel afval.
Zo stijf als staal, sterker dan titanium
De MMC die gefreesd is op een Hermle C32 (met HSK-A63 opname) met Seco wisselplaten (F40M, CBN200, PCD20 en PCD05) is een titanium versterkt met silicon carbide vezels. Daarmee kan men volgens de materiaalspecialisten van Tisics een MCC maken die net zo stijf is als staal maar veel sterker dan titanium. Het is dan bovendien lichter. Een van de toepassingen waaraan men in het Thermachproject werkt, is een landing gear voor vliegtuigen. Daarbij liep men echter tegen het probleem aan dat het materiaal amper gefreesd kan worden. En als men de vezels dan in het materiaal legt, verliest men flexibiliteit en de mogelijkheid om te repareren. Gebruik je de energie van de laser om het materiaal op te warmen, is het wel goed verspaanbaar.
Gewicht van landing gear kan halveren wat enorme brandstofbesparing oplevert
Verschillend thermisch profiel
Waar de onderzoekers in de slotfase van het project nog aan werken, is hoe je het werkstuk het beste belicht met de laser omdat de thermische profielen van titanium en de keramische vezels verschillen. Titanium heeft een smeltpunt van 1.600 graden C; silicon carbide vezels van 3.000 graden C. Daarnaast bekijkt men nog of de laser in plaats van op een vaste positie te zitten op een robotarm gemonteerd kan worden zodat men complexe vormen kan bewerken.
Doorbraak betekent stap naar duurzamere vliegtuigen
Bij de producent van de geavanceerde materialen Tisics verwacht men dat een doorbraak van het Thermach-project kan bijdragen aan een duurzamere luchtvaart. Het gewicht van de landing gear zou halveren vergeleken met de stalen variant. Dat zou 60.000 ton CO2 besparing per jaar per component opleveren. Op de wereldwijde vloot van vliegtuigen zou dit 9 miljoen kiloton CO2 reductie opleveren. De extra kosten van deze bewerking kan men binnen 12 tot 18 maanden terugverdienen door de besparing op brandstofkosten voor het vliegtuig.
In plaats van 800 kilogram spanen nog slechts 20 tot 50 kilogram afval
Duurzamer freesproces
Tot slot wordt het frezen van de onderdelen voor een landing gear duurzamer: Per stuk wordt momenteel 800 kilo materiaal weggegooid. In het nieuwe proces blijft het afval beperkt tot 20 tot 50 kilo. Voor Seco Tools is het duurzaamheidsaspect een van de belangrijkste aspecten in het project. Mark Walsh, R&D Technical Lead at Seco: “Duurzaamheid is een van onze kernwaarden en we willen graag bijdragen aan oplossingen die energie besparen en spanen verminderen, ook al betekent dit dat er minder bewerkt hoeft te worden. We willen de standtijd maximaliseren.”
foto: Pixabay
