Auswalzprozess Flexibles Auswalzen von T-Profilen zur Anwendung im Flugzeugbau

Autor / Redakteur: Franziska Aign, Peter Groche und Tianbo Wang / M.A. Frauke Finus

Ein neuer flexibler Auswalzprozess zum nachträglichen Einbringen variabler Wandstärken in stranggepresste T-Profile könnte in Zukunft eine umweltfreundlichere und ressourceneffizientere Produktion von Flugzeug-Stringern ermöglichen.

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Anordnung Stringer und Spante im Flugzeug.
Anordnung Stringer und Spante im Flugzeug.
(Bild: Premium Aerotec)

Mit der steigenden Forderung an einen effizienten Umgang mit Energie und Rohstoffen gewinnt der Leichtbau zunehmend an Bedeutung. Das neue, im folgenden vorgestellte, flexible Walzverfahren realisiert ein wichtiges Leichtbauprinzip: Das Einbringen individueller Wandstärkenverläufe ermöglicht eine belastungsangepasste Bauteilgestaltung. Flexible Profilbauteile aus Stahl- und NE-Werkstoffen mit über der Länge variabler Wandstärke können als Längs- und Querträger in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel im Fahrzeug-, Bahn- und Flugzeugbau.

Bisher mögliche Herstellung belastungsangepasster Profile

Die Hauptapplikation des neuen Prozesses ist eine wirtschaftlichere und umweltfreundlichere Produktion von Stringern in Flugzeugen, auf die im Folgenden näher eingegangen wird. Weitere Produktionsmöglichkeiten belastungsangepasster Profile werden ebenfalls vorgestellt.

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Rümpfe von Verkehrsflugzeugen werden meist in versteifter Schalenbauweise realisiert. Dabei sind die Hautschalen auf einem rahmenartigen Grundgerüst aus Spanten befestigt, welches durch in Rumpflängsrichtung orientierte Träger, sogenannte Stringer, versteift wird. Die Stringer sollen ein Ausbeulen der Beplankung verhindern und nehmen einen Teil der aus den Biegemomenten resultierenden Längskräfte auf. Häufig für Stringer eingesetzte Profilformen sind T-Profile. Zur Gewichtsreduzierung weisen die Stringer eine in Längsrichtung veränderliche, belastungsangepasste Materialdicke auf, die in der Flugzeugindustrie durch chemisches Abtragen realisiert wird. Dabei werden die stranggepressten Profile in ein chemisches Fräsbad eingetaucht und die variable Dicke durch unterschiedliche Verweilzeiten realisiert. Aufgrund des hohen Aufwands und des Einsatzes von Chemikalien wird dieser Prozess als ökonomisch und ökologisch kritisch eingestuft und soll daher durch eine alternative, rein mechanische Bearbeitung ersetzt werden.

Auch im Karosserierohbau werden bereits Bauteile mit variierenden Wandstärken verwendet. Als Halbzeug dienen ebene Bleche mit veränderlicher Wandstärke, sogenannte Tailored Blanks, die in nachfolgenden Umformschritten in Form gebracht werden. Diese können aus mehreren Blechen bestehen, welche zusammengeschweißt oder geklebt werden, wobei das Risiko des Versagens der Verbindung besteht. Fertigungsmöglichkeiten von Tailored Blanks aus einem Stück sind das Fräsen, das flexible Walzen und das chemische Abtragen. Beim flexiblen Walzen werden in Walzrichtung veränderliche Dicken durch eine geregelte Walzspaltjustage bei der Kaltbanderzeugung gezielt eingebracht. Es ermöglicht einen kontinuierlichen Dickenübergang, wodurch Spannungsspitzen vermieden werden können. Das flexible Walzen erlaubt die kontinuierliche Fertigung von Blechen mit individuellen Dickenübergängen beliebiger Anzahl bei hoher Materialausnutzung und ist deswegen besonders vorteilhaft und nachhaltig. Es ist jedoch auf ebene Bleche beschränkt und kann bisher nicht für verzweigte Profile, wie T-Profile, angewendet werden. Es besteht also der Bedarf eines neuen rein mechanischen Prozesses, der in der Lage ist, veränderliche Dicken nachträglich in stranggepresste T-Profile aus Aluminiumlegierungen einzubringen. Die nachfolgend vorgestellte Weiterentwicklung des flexiblen Walzens könnte diese Möglichkeit auch für T-Profile schaffen.

Auswalzen von T-Profilen – Grundlagen des neuen Verfahrens

Bei dem neuen Verfahren sollen Steg und Flansch des T-Profils gleichzeitig ausgewalzt werden, um unterschiedliche Längsdehnungen in Steg und Flansch und damit verbundene Krümmungen zu vermeiden. Dafür ist eine neue Walzenkonfiguration notwendig, welche aus einer Unterwalze und zwei im 45°-Winkel angelegten Oberwalzen besteht. Zur Walzspaltjustage benötigen die Walzen neben der Rotation auch translatorische Freiheitsgrade in radialer Richtung. Durch die Vorgabe von Steuerkurven können die Dickenverläufe gezielt ausgewalzt werden. Voruntersuchungen zeigen, dass das Material dabei maßgeblich in Profillängsrichtung verdrängt wird. Diese prozessbedingten Längsdehnungen führen neben der Zunahme der Profillänge zu einer Streckung des eingebrachten Dickenverlaufs. Als Folge kann es zu Abweichungen im Wandstärkenverlauf kommen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit der Vorhersage der Profillängung in Abhängigkeit des Auswalzgrades, um diese in den Walzenbewegungskurven berücksichtigen zu können. Da die Dehnungen beim Auswalzen in die Profilquerrichtungen zwar gering, aber dennoch vorhanden sind, ist gegebenenfalls bei anwendungsbedingter Notwendigkeit ein nachträgliches Besäumen der Profile erforderlich. Um trotz der Kantenverrundung der Walzen eine gleichmäßige Dickenveränderung auch in den Ecken des T-Profils zu erreichen, ist eine Mindestzustelltiefe der Walzen nötig.

Die variierenden Walzenradien der Seitenwalzen führen zu unterschiedlichen Längsdehnungen über der Breite von Steg und Flansch. Die Herausforderung des neuen Walzprozesses besteht darin, die dadurch eingebrachten Krümmungen durch die richtige Wahl von Prozessparametern, wie zum Beispiel Zustellung und Walzenumfangsgeschwindigkeiten, zu vermeiden. Durch nachgelagerte flexible Rollformprozesse können die Stringerprofile in ihre endgültige Form gebracht und zusätzliche Biegekanten eingebracht werden. Dabei ist insbesondere bei hochfesten Aluminiumlegierungen der Einfluss der durch das Walzen eingebrachten Kaltverfestigung auf das Biegeverhalten zu berücksichtigen.

Das neue Verfahren zum flexiblen Auswalzen von T-Profilen könnte es ermöglichen, zukünftig Stringer umweltfreundlicher in einem kontinuierlichen Prozess herzustellen. Durch die kontinuierlichen Dickenübergänge in beliebiger Anzahl und Form werden neue Möglichkeiten für den ressourceneffizienten Leichtbau geschaffen, die auch in weiteren Anwendungsfeldern wie beispielsweise dem Fahrzeug- und Schiffsbau genutzt werden können. Die Umsetzung des Prozesses erfolgt derzeit im Rahmen eines Forschungsprojektes des Niedersächsischen Luftfahrtforschungsprogramms am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der TU Darmstadt. Das PtU dankt der Investitions- und Förderbank Niedersachsen für die Förderung, sowie der Premium Aerotec GmbH und der Fooke GmbH für die Zusammenarbeit.

Mehr Effizienz im Presswerk

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