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Titanzerspanung Optimierte Titanbearbeitung durch Sauerstoffabschluss

Von B. Denkena, B. Bergmann, V. Prasanthan, F. Schaper, Sh. L. Yan und M. Zenger 7 min Lesedauer

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Leibniz Universität Inst. für Fertigungstechnik u. Werkzeugmaschinen (IFW)

Wenn man es schafft, die spanende Bearbeitung von Titan ohne Sauerstoffeinfluss wirtschaftlich zu machen, winken laut IFW der Leibniz-Universität Hannover, viele Vorteile ...

In der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik werden Teile aus Titanlegierungen sehr geschätzt. Doch dessen spanende Bearbeitung ist nicht trivial. Forscher aus Hannover sperren beim Schleifen und Drehen (Bild) von Titan deshalb jetzt den Sauerstoff aus.(Bild: IFW)
In der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik werden Teile aus Titanlegierungen sehr geschätzt. Doch dessen spanende Bearbeitung ist nicht trivial. Forscher aus Hannover sperren beim Schleifen und Drehen (Bild) von Titan deshalb jetzt den Sauerstoff aus.
(Bild: IFW)

Die Bearbeitung von Titan unter sauerstofffreien Bedingungen birgt großes Potenzial für eine optimierte Fertigung. Um den Einfluss von Sauerstoff auf Dreh- und Schleifprozesse zu untersuchen, wurden am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz-Universität Hannover Versuchsstände entwickelt, die eine Bearbeitung von Titan ohne Sauerstoffeinfluss erlauben. Dabei steht die Reduzierung von Werkzeugverschleiß, Prozesskräften und Temperaturbelastungen im Fokus. Der Artikel beschreibt nun die Versuchsmethodik und technische Umsetzung nebst geplanten Untersuchungen sowie das Potenzial dieser Technologie für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik.

Probleme bei der Titanzerspanung unter Sauerstoffeinfluss

Titanlegierungen sind aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität essenziell für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik. Ihre spanende Bearbeitung stellt jedoch große Herausforderungen dar. Durch die Eigenschaften von Titan ergeben sich relativ hohe Prozesskräfte, die Wärmeleitfähigkeit ist schlecht und es bilden sich sogenannte Scherspäne, die zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß führen und die Bauteilqualität beeinträchtigen [1]. Besonders kritisch ist die Wechselwirkung mit dem Sauerstoffgehalt in der Umgebungsluft. Die während des Prozesses auftretenden hohen Temperaturen von über 1.000 °C verstärken etwa die Ausbildung einer harten Schicht aus Titanoxid, die bereits bei Raumtemperatur vorhanden ist. Dies erschwert die spanende Bearbeitbarkeit zusätzlich und verschlechtert die sonst erreichbaren Oberflächen- und Randzoneneigenschaften der Bauteile [2]. Es liegt also nahe, die normale Raumluft durch eine Schutzgasatmosphäre aus Argon und Monosilan, das den Sauerstoff chemisch bindet, zu substituieren.

Positive Auswirkungen auf Werkzeug und Bauteil

Heraus kommt eine Atmosphäre, die aufgrund ihres niedrigen Sauerstoffgehalts einem Extremhochvakuum (XHV) gleicht und folglich fast frei von Sauerstoff ist. Vorangegangene Untersuchungen des Sonderforschungsbereichs 1368 für sauerstofffreie Produktion zeigen, dass die sauerstofffreie Atmosphäre während der spanenden Bearbeitung signifikante Vorteile für die Werkzeugstandzeit bietet und positive Effekte auf die Bauteileigenschaften hat [3, 4, 5]. Um diese Effekte zu erforschen, hat das IFW Prozesskammern entwickelt, die eine gezielte Analyse von Dreh- und Schleifprozessen unter sauerstofffreien Bedingungen ermöglichen. Hochgeschwindigkeits- und Thermografieaufnahmen erlauben dabei die Mechanismen der Spanbildung in Abhängigkeit der Atmosphäre zu untersuchen. Diese Methoden machen die komplexen Wechselwirkungen zwischen dem Werkzeugeinsatz und der Atmosphäre deutlich, wobei insbesondere die Auswirkungen von Temperatur und möglicherweise der Titanoxidschicht auf den spanenden Bearbeitungsprozess im Fokus stehen.

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