Aluminiumätzung auf ein neues Niveau heben

Aluminium ist seit langem ein beliebter Werkstoff für Flugzeuge, da es geringes Gewicht mit der für den Flugbetrieb erforderlichen Festigkeit verbindet. Es kommt sowohl in Strukturbauteilen als auch in der Innenausstattung zum Einsatz und trägt dazu bei, den Treibstoffverbrauch und die Emissionen zu senken und gleichzeitig die Nutzlast zu erhöhen.

Darüber hinaus macht das Ausmaß der künftigen Nachfrage nach Flugzeugen die Gewichtsreduzierung zu einem wichtigen Faktor. Airbus prognostiziert für die nächsten 20 Jahre eine Nachfrage nach 42.060 neuen Flugzeugen, während sich das weltweite Passagieraufkommen voraussichtlich mehr als verdoppeln und bis 2045 etwa 10 Milliarden Passagiere pro Jahr erreichen wird.

Damit rückt Aluminium in den Fokus, da herkömmliche kommerzielle Schmalrumpfflugzeuge wie die Boeing 737 oder der Airbus A320 zu etwa 70 bis 80 Prozent ihres Strukturgewichts aus Aluminium bestehen.

Diese Zahl, die von den National Academies of Sciences in ihrem wegweisenden Bericht über Werkstoffe für die Luft- und Raumfahrt geschätzt wurde, verdeutlicht genau, warum die Wahl der richtigen Fertigungsverfahren für Aluminiumkomponenten so wichtig ist.

Warum sich Aluminium nur schwer ätzen lässt

Aluminium bietet eine attraktive Kombination aus geringem Gewicht, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund seiner Reaktivität ist die Bearbeitung mit herkömmlichen chemischen Ätzverfahren jedoch besonders schwierig. Dabei handelt es sich um ein subtraktives Fertigungsverfahren, bei dem mithilfe von Chemikalien Teile des Blechs abgetragen werden.

Beim Ätzen reagiert das freiliegende Metall in einem elektrochemischen Prozess mit der Ätzlösung, wobei die Metallatome durch das Reagenz oxidiert werden. Diese Reaktion ist exotherm, das heißt, sie setzt Wärme frei.

Wird diese Wärme nicht sorgfältig geregelt, lässt sich die Ätzreaktion zunehmend schwerer kontrollieren, was sich auf das resultierende Kantenprofil und die Maßgenauigkeit auswirkt.

In der Vergangenheit führte dies beim chemischen Ätzen von Aluminium zu rauen, körnigen Kanten. Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen die Wiederholgenauigkeit ebenso wichtig ist wie das ursprüngliche Design, kann dies dazu führen, dass herkömmliches Ätzen ungeeignet ist.

Die Hersteller mussten daher ihre Kontrolle über die chemischen Prozesse, die Temperatur, die Materialvorbereitung und die Prozessbedingungen verbessern, um Aluminium zu einem geeigneten Material für die Präzisionsätzung zu machen.

Gewichtsreduzierung ohne Abstriche

Beim chemischen Ätzen wird Material ohne mechanische Krafteinwirkung oder die bei Verfahren wie der mechanischen Bearbeitung und dem Laserschneiden auftretende konzentrierte Wärme abgetragen, wodurch mechanische Beanspruchungen, Grate und Wärmeeinflusszonen vermieden werden.

Der Einsatz digitaler Fertigungswerkzeuge ermöglicht zudem die Herstellung komplexer Geometrien ohne zusätzliche Kosten, wobei Toleranzen von bis zu ±0,020 mm erreicht werden können. Für Luft- und Raumfahrtingenieure eröffnet dies neue Möglichkeiten, leichte Bauteile zu konstruieren, deren wirtschaftliche Fertigung mit herkömmlichen Verfahren nur schwer realisierbar wäre.

Zu den Anwendungsbereichen zählen Aluminium-Wärmetauscherplatten mit komplexen Kanälen, bei denen durch chemisches Ätzen filigrane Strömungswege erzeugt und die Oberfläche für ein effizientes Wärmemanagement maximiert werden können, während gleichzeitig die Gesamtgröße und das Gewicht der Baugruppe reduziert werden.

Auch Lufteinlassgitter für Hubschrauber und Komponenten für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) können von diesem Verfahren profitieren, insbesondere wenn komplexe Geometrien ohne Verformungen oder Grate gefertigt werden müssen.

Ein weiteres Beispiel sind Heizplatten für Luftfeuchtigkeitsregler in Flugzeugkabinen. Hier ermöglicht das chemische Ätzen die Herstellung komplexer, reproduzierbarer Profile und sorgt gleichzeitig dafür, dass die Bauteile bei der Endmontage effizient gestapelt werden können.

Genauigkeit ist nur dann von Nutzen, wenn sie wiederholbar ist.

AS9100, die Qualitätsmanagementnorm für Unternehmen aus den Bereichen Luftfahrt, Raumfahrt und Verteidigung, schreibt Konsistenz und Qualität entlang der gesamten Lieferkette vor. Beim chemischen Ätzen ist daher die Prozesskonsistenz von entscheidender Bedeutung.

Bei der Steuerung der chemischen Abläufe und der exothermen Reaktion geht es nicht nur darum, ein optisch einwandfreies Bauteil herzustellen, sondern auch darum, sicherzustellen, dass dieselbe Geometrie wiederholt mit vorhersehbaren Material- und Maßmerkmalen gefertigt werden kann.

Moderne Verfahren ermöglichen glattere Kantenprofile, engere Toleranzen und komplexe Geometrien, ohne dabei die Leichtbauvorteile zu beeinträchtigen, die Aluminium von Anfang an so attraktiv gemacht haben.

Für Hersteller in der Luft- und Raumfahrt besteht die Herausforderung nicht nur darin, ein leichtes Material zu finden, sondern auch ein Fertigungsverfahren, das dessen Vorteile bewahrt und gleichzeitig die für die Produktion erforderliche Präzision und Wiederholgenauigkeit gewährleistet.