Fortschritte in der Aluminium-CNC-Bearbeitung für Leichtbaulösungen in der Industrie

Stellen Sie sich ein Flugzeug vor, das durch den Himmel gleitet, sein leichter, aber stabiler Rumpf aus präzisen Aluminiumkomponenten gefertigt. In einer Zeit, in der Kraftstoffeffizienz und Leistung von größter Bedeutung sind, spielt die Aluminium-CNC-Bearbeitungstechnologie eine immer wichtigere Rolle. Aber wie genau ermöglicht diese Technologie die schnelle und kostengünstige Herstellung komplexer Teile und treibt gleichzeitig Fortschritte im Leichtbau in verschiedenen Branchen voran?

Die Aluminium-CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) hat sich zu einer Mainstream-Technologie in der Fertigung entwickelt. Ihr Hauptvorteil liegt in der effizienten und wirtschaftlichen Herstellung komplexer, leichter Komponenten. Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Stahl und Titan lässt sich Aluminium schneller verarbeiten, was es ideal für die Großserienfertigung macht.

Aluminium ist das am häufigsten vorkommende metallische Element in der Erdkruste. Industriell wird es hauptsächlich aus Bauxit-Erz gewonnen, das 30 % bis 60 % Aluminiumoxid enthält. Der Extraktionsprozess umfasst zwei Hauptschritte:

• Aluminiumoxid-Extraktion: Das Bayer-Verfahren ist die weltweit am häufigsten verwendete Methode. Dabei wird Bauxit zerkleinert, mit Wasser und Natronlauge vermischt und bei hohen Temperaturen umgesetzt. Die Natronlauge löst das Aluminiumoxid, das dann durch Filtration von Verunreinigungen getrennt wird. Aluminiumhydroxidkristalle werden der Aluminiumoxidlösung zugesetzt, die dann erhitzt und getrocknet wird, um reines Aluminiumoxid zu erzeugen.
• Aluminiumschmelze: Das Aluminiumoxid wird in einem fluoridbasierten Schmelzbad gelöst und durch Elektrolyse in metallisches Aluminium und Sauerstoff zerlegt. Das geschmolzene Aluminium wird gesammelt, mit recyceltem Aluminium vermischt und in verschiedene Formen wie Bleche, Knüppel, Stäbe, Rohre, Platten, Streifen und Drähte gegossen. Diese Halbzeuge werden weiter zu fertigen Komponenten verarbeitet.

Die CNC-Bearbeitung kombiniert traditionelle Fertigungstechniken mit computergesteuerten Systemen. Sie ermöglicht das Schneiden und Formen von Rohmaterialien zu komplexen Teilen, deren Herstellung manuell unmöglich, zeitaufwändig oder kostspielig wäre. Zu den wichtigsten Vorteilen der Technologie gehören außergewöhnliche Präzision, Konsistenz, Produktivität, Kontrolle, Designflexibilität und Abfallreduzierung.

Die ersten CNC-Maschinen entstanden in den späten 1940er Jahren durch die Nachrüstung bestehender Geräte mit Motoren. Das Aufkommen von Computern in den 1960er Jahren trieb die Entwicklung moderner CNC-Systeme voran. Gängige CNC-Maschinen sind Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Drehmaschinen, Plasmaschneider, Laserschneider und Wasserstrahlschneider – alle unter Verwendung subtraktiver Fertigungsverfahren.

Reines Aluminium bietet hervorragende Duktilität, Korrosionsbeständigkeit, nichtmagnetische Eigenschaften und thermische/elektrische Leitfähigkeit. Seine geringe Festigkeit schränkt jedoch die kommerzielle Anwendung ein. Um die Leistung zu verbessern, wird Aluminium mit Elementen wie Kupfer, Lithium, Magnesium, Mangan, Silizium und Zink legiert. Diese Legierungen verbessern die Festigkeit unter Beibehaltung der inhärenten Vorteile von Aluminium.

Bei der CNC-Bearbeitung werden hauptsächlich drei Aluminiumlegierungskategorien verwendet:

• Aluminiumgusslegierungen: Diese Legierungen werden durch Gießen von geschmolzenem Metall in Formen hergestellt und sind kostengünstig, vielseitig, leicht und langlebig. Die Automobilindustrie ist ihr größter Verbraucher und macht zwei Drittel des Aluminiumverbrauchs in Fahrzeugen aus. Sie weisen jedoch im Allgemeinen eine geringere Zugfestigkeit und einen höheren Werkzeugverschleiß auf als Knetlegierungen.
• Aluminium-Lithium (Al-Li)-Legierungen: Die geringe Dichte von Lithium macht diese Legierungen deutlich leichter als reines Aluminium, ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt wie Tragflächenbeplankungen, Rümpfe und Lüfterblätter. Sie bieten jedoch eine geringere Bearbeitbarkeit und Bruchzähigkeit sowie höhere Kosten aufgrund der begrenzten Produktion.
• Knetaluminiumlegierungen: Diese Legierungen werden im festen Zustand durch Walzen, Schmieden oder Extrudieren geformt und dominieren die CNC-Bearbeitung aufgrund ihrer überlegenen mechanischen Eigenschaften, strukturellen Integrität, Oberflächenbeschaffenheit und Werkzeugstandzeit. Sie sind leichter zu bearbeiten als Gusslegierungen.

Bei der Wahl zwischen Aluminium und Stahl für die CNC-Bearbeitung sollten Sie diese Schlüsselaspekte berücksichtigen:

• Kosten: Während Kohlenstoffstahl oft günstiger ist als Aluminium, ist Edelstahl tendenziell teurer. Auch die langfristige Haltbarkeit sollte in die Kostenberechnung einbezogen werden.
• Korrosionsbeständigkeit: Aluminium und Edelstahl sind von Natur aus rostbeständig, während andere Stähle Schutzbeschichtungen benötigen – was zu mehr Gewicht und Wartungskosten führt.
• Gewicht: Aluminium ist zwei- bis dreimal leichter als Stahl und treibt den „Leichtbau“-Trend in allen Branchen voran.
• Festigkeit: Stahl übertrifft Aluminium in Bezug auf Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Verformung unter Belastung, Hitze oder Gewicht.
• Bearbeitbarkeit: Die geringere Dichte von Aluminium ermöglicht höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten, kürzere Kühlzeiten und einen geringeren Werkzeugverschleiß im Vergleich zu Stahl.

Hersteller verwenden verschiedene CNC-Techniken zur Bearbeitung von Aluminium:

• CNC-Fräsen: Die vielseitigste Methode, bei der rotierende Werkzeuge verwendet werden, um stationäre Materialblöcke zu formen. Moderne Bearbeitungszentren verfügen über 3-Achsen- bis 5-Achsen-Konfigurationen für komplexe Geometrien.
• CNC-Drehen: Dreht das Werkstück, während Werkzeuge Material abtragen, ideal für zylindrische Teile mit Operationen wie Bohren und Gewindeschneiden.
• CNC-Plasmaschneiden: Verwendet supererhitzte Druckluft, um schnell und präzise durch dicke Metallbleche zu schmelzen.
• CNC-Laserschneiden: Schmilzt oder verdampft Material mit einem Hochleistungs-Laserstrahl und bietet außergewöhnliche Präzision für dünne Bleche.
• CNC-Wasserstrahlschneiden: Verwendet Wasser mit extrem hohem Druck (mit Schleifmitteln für harte Materialien), um ohne Wärmeausdehnung zu schneiden, was eine enge Materialverschachtelung und minimalen Abfall ermöglicht.