Titan – ein Werkstoff, der im modernen Fertigungsumfeld immer mehr eine zentrale Schlüsselrolle spielt. Doch die Bearbeitung ist aufgrund seiner Festigkeit und Materialeigenschaften anspruchsvoll und verlangt spezialisierte Strategien. Wie genau lassen sich also diese Herausforderungen bei der Titanbearbeitung meistern?

Genau diese komplexen Anforderungen haben wir im Rahmen unseres Workshops tiefgreifend untersucht. Denn ein Werkstoff der Extreme verlangt nach ebenso extremen Lösungen. Für die Bearbeitung sind fortschrittliche CNC-Technologien und spezielle Werkzeuge erforderlich. Und genau hier kommt unser neues HAM-Titanprogramm ins Spiel. In Kombination mit modernen Kühlmethoden ermöglicht es eine effiziente und präzise Bearbeitung von Titan, was unsere Live-Zerspanung eindrucksvoll unter Beweis stellte.

Titan: Ein Überblick über das Leichtmetall und seine Grades

Titan, ein leichtes und widerstandsfähiges Element, ist aufgrund seiner geringen Dichte und hohen Beständigkeit gegenüber Korrosion und Hitze sehr begehrt. Obwohl das Leichtmetall eines der zehn häufigsten Elemente in der Erdkruste ist, liegt es hauptsächlich in Mineralien vor, was die Gewinnung erheblich energieintensiv macht – rund viermal so hoch wie bei Aluminium.

Doch Titan entspricht nicht gleich Titan! Es wird in verschiedene Kategorien, sogenannte „Grades“ unterteilt, die entweder reines oder legiertes Titan darstellen. Reines Titan findet sich in den Grades 1 bis 4 wieder, wobei Grade 2 mit 99,7 % Reintitan am häufigsten in der Medizintechnik verwendet wird. Es bietet eine gute Balance zwischen Festigkeit und Verformbarkeit. Legiertes Titan reicht hingegen von Grade 5 bis 39. Hier zählt Grade 5 (Ti-6Al-4V) zu den in der Luftfahrtindustrie am häufigsten verwendeten Titanlegierungen, die Aluminium und Vanadium enthält und durch ihre hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit hervorsticht.

Die Wahl des Grades hängt von den Anforderungen an Festigkeit, Gewicht und Korrosionsbeständigkeit ab. Titan übertrifft Aluminium, CFK und GFK in der Zugfestigkeit, bleibt aber hinter Stahl zurück. Bei der Dichte ist jedoch keine pauschale Aussage möglich. Je nach Aluminiumart nähert sich die Dichte stark der von Titan an. Bei CFK mit einem Volumen von 50 % übertrifft die Dichte jedoch sowohl Titan als auch Aluminium.

Die Herausforderungen bei der Titanbearbeitung und Lösungsansätze

Die Verarbeitung von Titan stellt Zerspanungsbetriebe vor erhebliche Herausforderungen. Hohe Festigkeit und Zähigkeit führen zu höheren Schnittkräften und Temperaturen und damit zu erhöhtem Werkzeugverschleiß. Verschärft wird das Problem durch die geringe Wärmeleitfähigkeit von Titan, da die entstehende Wärme nicht effektiv in den Span, sondern hauptsächlich in das Werkzeug abgeleitet wird. Während bei Stahl etwa 80 % der Hitze in den Span abfließen, sind es bei Titan lediglich 20 %. Hinzu kommt die starke Reaktivität mit Sauerstoff, die bei hohen Temperaturen einen erhöhten Werkzeugverschleiß durch Diffusion verursacht. Somit sind Hitze und Reibung die zentralen Herausforderungen bei der Bearbeitung von Titan.

Doch wie lassen sich diese Herausforderungen bewältigen? Einer der effektivsten Maßnahmen zur Minimierung von Wärme und Werkzeugverschleiß ist das Vermeiden hoher Schnittgeschwindigkeiten. Spezielle VHM-Werkzeuge mit scharfen Schneiden sorgen für sauberes Schneiden und verhindern Brüche. Eine Ungleichteilung der Werkzeuge trägt dazu bei, Vibrationen zu minimieren und die Standzeit zu verlängern, indem sie eine gleichmäßigere Abnutzung der Schneiden fördert. Darüber hinaus sorgt sie für eine bessere Spanabfuhr und optimierte Schnittkräfte. Durch die richtige Abstimmung von Hartmetall-Substrat und Beschichtung werden Wärmebeständigkeit und Gleiteigenschaften des Werkzeugs optimiert. Auch die Verwendung spezieller Kühlmittel und eine optimale Innenkühlung der Werkzeuge sind entscheidend für die Verbesserung der Prozessstabilität.

Unsere Lösung: Das neue HAM-Titanprogramm

Unsere HAM-Standard-Werkzeuge sind auf den „nassen“ Einsatz optimiert und profitieren von einer strömungsoptimierten Bauweise, die durch die größere MMS-Schaftfase und eine runde MMS-Kühlkanalverbindung realisiert wird. Reduzierte Führungsfasen tragen zur Senkung der Temperatur bei, während eine erhöhte Verjüngung die Reibung minimiert, da weniger Schneidfläche am Werkstück „reibt“. Ergänzt wird dies durch unsere innovative HSF (Hybrid Surface Finish) Oberflächentechnik, die eine glatte Oberfläche garantiert und dadurch die Reibung bei der Titanbearbeitung weiter senkt.

40-3011: Unser 5-Schneider zum Trochoidalfräsen

Der HAM 40-3011 bietet höchste Effizienz dank interner Kühlmittelzufuhr und einer speziellen Beschichtung, die ihn besonders für die die Titanbearbeitungen prädestiniert. Er verfügt über 5 Zähne und ist in Durchmessern von 6 bis 20 mm erhältlich.

iMachining Ø 20 | Aufmaß 0,2mm | Emulsion | Bearbeitungsparameter schruppen / schlichten

• ap / ae = 38 / 0,18-0,81 | 38 / 0,2
• n = 2.045 rpm | 1.115 rpm
• Vc = 180 m/min | 70 m/min
• fz = 0,24 mm/z | 0,06 mm/z
• Vf = 2.410 mm/min | 360 mm/min

iMachining Ø 12 | Aufmaß 0,2mm | Emulsion | Bearbeitungsparameter schruppen

• ap / ae = 23 / 0,11-0,48
• n = 3.200 rpm
• Vc = 122 m/min
• fz = 0,12 mm/z
• Vf = 1.910 mm/min

40-3001: Unser 3-Schneider für Vollnuten bis zu 1,5xD 

Unser HAM 40-3001 zeichnet sich durch eine interne Kühlmittelzufuhr, 3 Zähne und Durchmesser von 6 bis 20 mm aus. Dank einer speziellen Beschichtung ist er optimal für die Bearbeitung von Titan geeignet und bietet eine hohe Verschleißfestigkeit bei anspruchsvollen Anwendungen.

Nut 1xD Ø 10 ­| Aufmaß 0,00 mm | MMS | Bearbeitungsparameter schruppen / schlichten

• ap / ae = 10 / 10 | 10 / 0,2
• n = 1.600 rpm | 2.550 rpm
• Vc = 50 m/min | 80 m/min
• fz = 0,05 mm/z | 0,08 mm/z
• Vf = 240 mm/min | 610 mm/min

Nut 1,5xD Ø 10 ­| Aufmaß 0,00 mm | MMS | Bearbeitungsparameter schruppen / schlichten

• ap / ae = 15 / 10 | 15 / 0,1
• n = 1.600 rpm | 2.550 rpm
• Vc = 50 m/min | 80 m/min
• fz = 0,025 mm/z | 0,08 mm/z
• Vf = 120 mm/min | 610 mm/min

HAM Titandrill: Unser prozesssicherer 3xD-Kernlochbohrer mit Innenkühlung

Dieses Werkzeug vereint einen 30° Spiralwinkel mit 2 Zähnen und bietet damit eine hohe Leistungsfähigkeit. Verfügbar in 3xD und 5xD, ist es mit einer speziellen Spankammergeometrie ausgestattet, um eine verbesserte Spanabfuhr zu gewährleisten.

Kernloch Ø 6,8 | Aufmaß 0,00 mm | MMS | Bearbeitungsparameter schruppen / schlichten

• ap = 20
• n = 1.640 rpm
• Vc = 36 m/min
• f = 0,05 mm/U
• Vf = 164 mm/min

Kernloch Reibung Ø 7,8 | Aufmaß 0,00 mm | MMS | Bearbeitungsparameter schruppen / schlichten

• ap = 20
• n = 1.500 rpm
• Vc = 36 m/min
• f = 0,05 mm/U
• Vf = 150 mm/min

Vorteile unseres HAM-Titanprogramms

Unsere innovativen Werkzeug-Geometrien mit zentraler Innenkühlung sorgen für maximale Performance und eine effiziente Wärmeabfuhr, um selbst bei anspruchsvollen Bearbeitungsprozessen maximale Effizienz zu erreichen. Dank der hohen Laufruhe und der vibrationsarmen Bearbeitung wird eine präzise und zuverlässige Zerspanung erreicht, wodurch die Bearbeitungsqualität erheblich verbessert wird. Mit unserer neu entwickelten Verschleißschutzbeschichtung für Titan und dem einzigartigen Hybrid Surface Finish (HSF) wird nicht nur eine definierte Präparation der Schneide, sondern auch eine extrem glatte Oberfläche erreicht. Die hitzebeständige Oberflächenbeschichtung widersteht Temperaturen bis über 1000 °C. Außerdem wird unter bestimmten Bedingungen die Verwendung in MMS-Prozessen (Minimalmengenschmierung) ermöglicht, was die Nachhaltigkeit und Prozesssicherheit weiter steigert.

Ausblick in die Zukunft von Titan in der modernen Fertigung

Die Eigenschaften von Titan – hohe Festigkeit, geringes Gewicht und exzellente Korrosionsbeständigkeit – machen es zu einem der gefragtesten Materialien in der Fertigung. Die Luftfahrt, der Automobilbau und die Medizintechnik haben das Potenzial von Titan längst erkannt. Der hohe Aufwand bei der Bearbeitung hat Titan jedoch bisher von einem breiten Einsatz in der Massenproduktion abgehalten. Mit fortschrittlichen Zerspanungstechniken und der richtigen Werkzeugauswahl könnten diese Hürden jedoch bald überwunden werden. Kein Wunder also, dass Experten ein Wachstum um 20 Prozent des Gesamtanteils von Titanlegierungen in den nächsten Jahren erwarten. Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die E-Mobilität sowie die Elektronik zeigen starkes Wachstumspotenzial für den Einsatz von Titan. Mit effizienteren Zerspanungstechniken und einer gezielten Produktionsstrategie könnte Titan schließlich Edelstahl und Aluminium in vielen Anwendungen verdrängen und eine neue Ära in der Fertigung einläuten.

Live-Zerspanung eines Luftfahrt-Formteils (150 x 110 x 50 mm) in Titan Grade 5 (Ti6Al4V; 3.7164) komplett nur mit MMS im Rahmen unseres Workshops „Der Schwäbische Titan“ am 16.10.2024

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Titan-Werkzeuge HAM Präzision: Fast so leicht wie Aluminium, aber fester als Stahl – das sind die Eigenschaften von Titan.

Die Zerspanung von Titan ist aufgrund der besonderen Eigenschaften des Metalls eine anspruchsvolle Aufgabe.  

HAM hat für die Bearbeitung von Titan, hochwarmfesten Legierungen sowie für die Bearbeitung von Edelstählen die Titan-Fräser HAM 40-3001 in Z=3 und HAM 40-3011 in Z=5 und einen Titan-Bohrer entwickelt. 

Profitieren Sie von folgenden Vorteilen: 

• Titan-Fräser mit zentraler Innenkühlung für eine maximale Performance
• Titan-Bohrer mit spezieller Spankammergeometrie, einer inneren Kühlmittelzufuhr und einem Sonderanschliff
• Hohe Laufruhe und vibrationsarme Bearbeitung
• Spezielle Oberflächenbehandlung (HSF)
• Hitzebeständige Oberflächenbeschichtung bis über 1000°
• Bei bestimmten Voraussetzungen MMS-fähig

Die neuen Titan-Fräser sind ab sofort verfügbar, der Titan-Bohrer ist auf Anfrage erhältlich. 

Nehmen Sie Kontakt mit uns auf! Wir beraten Sie gerne.

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Sie sind die Exoten unter den Werkstoffen: Materialien wie CFK, Titan, Honeycomb oder Aluminium überzeugen durch ihre große Festigkeit bei geringem Gewicht und kommen bevorzugt in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz. Hohe Anforderungen stellen sie jedoch an die spanende Bearbeitung. HAM nimmt sich seit Jahren dieser Thematik an und hat eine Vielzahl von leistungsstarken Standard- und Sonderwerkzeugen entwickelt. Sie punkten durch lange Standzeiten und erzielen sehr gute Oberflächengüten…

Leistungsstarke Präzisionswerkzeuge von HAM für CFK, Titan & Co.

Während CFK oder Titan in der Luft- und Raumfahrt schon seit längerem im Einsatz sind, setzen sich solche modernen Werkstoffe in der Automobilindustrie erst allmählich durch. Bei den Konstrukteuren sind die Materialien allemal sehr beliebt: Sie sind leicht und dennoch fest und stabil. Faserverbundwerkstoffe wie CFK bestehen beispielsweise aus einem Matrixwerkstoff und verstärkenden Fasern. Diese Kombination macht das Material hochfest. Aluminium wird bevorzugt dort verbaut, wo es auf die Masse ankommt, wie etwa bei Flugzeugen. Denn durch die geringe Dichte wird erheblich an Gewicht gespart. Die wabenförmige Struktur von Honeycomb besteht aus Kunststoffen oder Aramidfasern, die mit verschiedenen Decklagen überzogen werden. Dies erhöht die Stabilität deutlich. Titan und seine Legierungen zeichnen sich durch eine geringe Dichte und hohe Festigkeit aus. Die Werkstoffe sind thermisch stark belastbar und korrosionsbeständig.

Zerspaner vor großer Herausforderung

Allen gemeinsam ist, dass sie die Zerspaner vor große Herausforderungen stellen. Die spezifischen Eigenschaften dieser Werkstoffe machen eine prozesssichere und schnelle Bearbeitung mit hohen Oberflächenqualitäten sehr schwierig. So ist beispielsweise CFK stark abrasiv, was zu einem deutlichen Werkzeugverschleiß führt. Insbesondere bei Material mit viel Harzgehalt kommt es bei der Zerspanung immer wieder zu Absplitterungen. Die Inhomogenität von CFK und anderen Verbundwerkstoffen belastet die Werkzeugschneide erheblich. Das Material zerspant staubförmig. Ein zu hoher Wärmeeintrag kann zu unerwünschten Verschmelzungen führen. Für eine prozesssichere Bearbeitung sind die Auswahl des richtigen Werkzeugs, die passende Geometrie und die Bestimmung der geeigneten Schnittdaten entscheidend.

Das leichte und dennoch biegefeste Honeycomb wird gerne zwischen der Innen- und Außenhaut von Flugzeugen oder in den Flügeln von Windkraftanlagen zum Stützen und Versteifen eingesetzt. Das Material besteht jedoch aus einem vergleichsweise losen Verbund, wodurch es beim Bearbeiten leicht ausfransen kann. Gefordert sind hier extrem scharfe Schneiden. Die Schwierigkeit beim Bohren und Fräsen besteht darin, neben einer kontur- und maßgetreuen Bearbeitung auch hochwertige Schnittkanten und Oberflächen sicherzustellen.

Große Hitzeentwicklung bei Titan

Beim Zerspanen von Titan und seinen Legierungen entsteht große Hitze. Diese nimmt nicht der Werkstoff auf, sondern das Schneidwerkzeug. Es muss daher die richtige Geometrie und Beschichtung gewählt werden, um frühzeitige Ausfälle zu vermeiden. Außerdem bilden sich beim Fräsen und Bohren von Titan oft lange Späne, die sich um Werkstück oder Werkzeug wickeln und den Prozess unterbrechen können. Am vergleichsweise unproblematischsten ist das Zerspanen von Aluminium, das unter hohen Schnittgeschwindigkeiten erfolgen kann. Die Spanbarkeit ist jedoch abhängig von den Legierungsbestandteilen. Kaltverfestigtes oder gehärtetes Aluminium lässt sich leichter bearbeiten als weiches.

HAM beschäftigt sich seit Jahren intensiv mit der Bearbeitung moderner Werkstoffe und hat Werkzeuge entwickelt, die die Herausforderung dieser Exoten meistern. So überzeugt beispielsweise der zweischneidige VHM-Spezial-Konturenfräser von HAM bei der Herstellung von Nuten verschiedener Tiefen aus Honeycomb-Platten mit beidseitiger Deckschicht. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 376 Metern pro Minute und 20.000 Umdrehungen erzielte er eine nahezu gratfreie Oberfläche. Ausfransungen an den Folien blieben aus. Mit einem erreichten Standweg von 450 Metern bei Langzeitversuchen hat der Fräser seine Prozessfähigkeit für die Serienfertigung unter Beweis gestellt.

HAM-Bohrsenker für Top-Oberflächenqualität

Eine häufige Anwendung in CFK ist das Bohren und Senken von Nietlöchern in einem Arbeitsgang. Die besondere Aufgabe besteht darin, Ausfransungen am Bohrungsein- und – austritt zu vermeiden. Hierfür hat HAM einen Vollhartmetall (VHM)-Bohrsenker entwickelt. Mit seiner speziellen Geometrie und angepasster Diamantbeschichtung erfüllt er die Anforderungen an Bauteilqualität und Standzeit. Das Werkzeug erzielt maßgenaue Bohrungsdurchmesser und Senkungen. Zwischen den Materialschichten gibt es keine Ausfransung und die Oberflächenqualität ist sehr gut. Hohe Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten beim Fräsen von CFK ermöglicht beispielsweise der PKD-HPCAufsteckfräser HAM 40-7640. Das polykristalline Diamantwerkzeug sorgt in der Praxis für eine hohe Abtragsleistung. Die effiziente Kühlung erfolgt innen zentral durch die Anzugsschraube.

Mit dem One-Shot-Drill hat HAM ein leistungsstarkes Werkzeug entwickelt, das Bohren und Reiben von Sandwich-Bauteilen, aber auch von Titan in einem Arbeitsgang ermöglicht. Das Werkzeug mit Diamantbeschichtung erleichtert die Bearbeitung von Titan. Der Bohrer erzielte in Tests mit einer Schnittgeschwindigkeit von 25 Metern pro Minute einen präzisen Durchmesser und hohe Oberflächengüte. Die Minimalmengenschmierung vermeidet eine zu starke Hitzeentwicklung an der Schnittzone von Titan-Bauteilen. Darüber hinaus erzeugt das Werkzeug kurze Späne, die leicht zu entsorgen sind. Der One-Shot-Drill überzeugt auch bei Sandwich-Bauteilen aus CFK, Titan und Aluminium. Er vermeidet Ausfransungen in der CFK-Schicht, und der Bohrungsaustritt ist nahezu gratfrei.

Die Verwendung moderner Werkstoffe wird in Zukunft weiter zunehmen. Zu verlockend sind die konstruktiven Vorteile, die diese Exoten bieten. Die Hersteller von Präzisionswerkzeugen bleiben gefordert. HAM wird sich auch weiterhin in enger Kooperation mit den Kunden intensiv mit diesem Thema auseinandersetzen und geeignete Werkzeuge für die effiziente und wirtschaftliche Bearbeitung von CFK, Titan & Co. entwickeln.

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