AMB Stuttgart, 15.-19.09.2026, Halle 1, Stand J41
Fokus Aerospace: Wie piezoelektrische Messtechnik die Zerspanung revolutioniert
Die Luft- und Raumfahrtindustrie stellt höchste Anforderungen an Material und Fertigung. Hochleistungs- Faserverbundwerkstoffe wie CFK und zähe Titanlegierungen versprechen maximale Festigkeit bei minimalem Gewicht. Doch ihre Bearbeitung ist eine Gratwanderung zwischen Präzision und Werkzeugverschleiß. Die piezoelektrische Messtechnik von Kistler macht kleinste Prozesskräfte sichtbar – in der Grundlagenforschung wie in der Serienfertigung – und schlägt mit smarter Software eine Brücke zwischen diesen Welten.
In der modernen Aerospace-Fertigung sind hybride Strukturen, etwa CFK-Titan-Stapel (Laminated Stacks) oder hochentwickelte CFK-Bauteile, unverzichtbar geworden. Für die Forschung bedeutet dies jedoch Schwerstarbeit. Verschiedene wissenschaftliche Verfahren zeigen, wie tiefgreifend die piezoelektrische Sensorik von Kistler bereits heute in der Entwicklung verankert ist:
- Vermeidung von Delamination: Beim Bohren von CFK-Bauteilen führt eine zu hohe Vorschubkraft unweigerlich zu Schichttrennungen (Delamination). Mit hochdynamischen Dynamometern von Kistler können die transienten Kraftspitzen genau isoliert und analysiert werden, um neuartige, schonende Bohr- und Fräsverfahren zu evaluieren und Schäden am Werkstoff zu vermeiden.
- Adaptive Prozessführung in Laminated Stacks: Das Bohren von CFK-Metall-Stapeln ist äußerst komplex, da sich die Werkzeugeigenschaften beim Übergang von der abrasiven Faser zum zähen Metall schlagartig ändern. Hier hilft die Echtzeit-Erfassung der axialen Vorschubkräfte, um eine adaptive Prozessführung mit in Echtzeit angepassten Schnittparametern zu realisieren (Bild 1).
- Signalanalyse beim High-Speed-Cutting: Auch bei der klassischen Bearbeitung hochfester Aerospace-Legierungen auf Titanbasis unterstützt Sensorik von Kistler: Über mathematische Filterverfahren werden hochfrequente Zerspankraft-Signale zerlegt, um Störgeräusche der Maschine und Vibrationen präzise von realem Werkzeugverschleiß zu trennen.
Bild 1: Aufzeichnung der Absolutkräfte beim Bohren von CFK mit Fokus auf den Werkzeugaustritt mit Materialrückfederung und Delamination. Die PTS App misst alle relevanten Parameter und schafft die Basis zur Prozessoptimierung und Überwachung.
All diese diffizilen Untersuchungen haben eines gemeinsam: Sie nutzen im Labor hochpräzise Mehrkomponenten-Dynamometer von Kistler, um physikalische Grenzen auszuloten. Ein solches Dynamometer nutzt den piezoelektrischen Effekt von Quarzkristallen, die unter mechanischer Belastung eine zur einwirkenden Kraft proportionale elektrische Ladung erzeugen. Durch die spezifische Ausrichtung mehrerer Sensoren im Gehäuse werden die Kräfte in allen drei Raumrichtungen präzise erfasst, woraus sich die wirkenden Momente rechnerisch ermitteln lassen. Ein nachgeschalteter Ladungsverstärker wandelt die minimalen Ladungssignale schließlich in eine messbare elektrische Spannung um, die digitalisiert und als exakter Messwert ausgegeben wird.
Vom Labor-Dynamometer zur industriellen Messkette
Während in der Forschung rotierende oder stationäre Dynamometer für die tiefgehende Analyse von absoluten Prozesskräften im Einsatz sind (Bild 2), erfordert die industrielle Serienüberwachung andere Eigenschaften: Robustheit, nahtlose Systemintegration, kalkulierbare Kosten und maximale Zuverlässigkeit im 24/7-Betrieb.
Bild 2: In Forschung und Entwicklung kommen hochempfindliche Labor-Dynamometer zum Einsatz, deren Messdaten mit der PTS App visualisiert, analysiert und bewertet werden können.
Die in der Entwicklung gewonnenen Erkenntnisse überträgt Kistler mit seinen Lösungen auf die Serienproduktion. Statt eines Dynamometers kommen in der Fertigungszelle robuste, maschinenintegrierbare Kraft-, Dehnungs- und Beschleunigungssensoren zum Einsatz – oder alternativ bereits vollintegrierte sensorische Werkzeughalter (Bild 3). Solche Systeme ermöglichen es, genau die kritischen Parameter, die zuvor im Labor als qualitätsentscheidend identifiziert wurden, während der Produktion zu überwachen. Höchste Sensitivität und hohe Samplingrate sind dabei selbstverständlich, sodass auch kleinste Kräfte und Vibrationen erkannt werden.
Bild 3: Um Zerspankräfte und -prozesse während der Fertigung mit der PTS App zu überwachen, bietet Kistler auch vollintegrierte sensorische Werkzeughalter zum Einbau in Werkzeugmaschinen.
Je nach Anwendung fest verkabelt oder berührungslos messen
Für die Sensorintegration in starre Maschinenkomponenten wie den Spindelkopf oder eine nicht verfahrende Werkzeugaufnahme bieten fest verkabelte Monitoring-Lösungen eine sehr robuste und dauerhafte Signalübertragung. Piezoelektrische Sensoren überwachen hier kontinuierlich die als relevant identifizierten, qualitätsentscheidenden Parameter.
Überall dort, wo Kabel an ihre physikalischen Grenzen stoßen oder ein effizientes Umrüsten verhindern – insbesondere bei indexierenden Werkzeugen oder beim automatischen Werkzeugwechsel – bietet Kistler kabellose Telemetrie-Messketten. Die Daten werden dabei berührungslos und absolut zuverlässig an die Auswerteelektronik übertragen, ohne den Fertigungsprozess zu beeinträchtigen.
Smarte Software: Die PTS App als zentrales Bindeglied
Alle Daten aus Entwicklung und Fertigung werden durch die PTS App (Piezo Tool System) von Kistler auf intuitive Weise miteinander verbunden. Sie ist darauf ausgelegt, sowohl Daten von Dynamometern aus der Entwicklung als auch die Signale robuster Messketten aus der Serienfertigung direkt an der Maschine zu visualisieren, zu analysieren und zu bewerten.
Wie in der Grafik zu sehen (Bild 4), fungiert die PTS App als eine Art zentrales Cockpit: Sie bietet dem Entwicklungsingenieur die nötige Performance zur strukturierten Datenerfassung bei R&D-Projekten. Für den Maschinenbediener in der Serienfertigung bricht sie die Komplexität auf das Wesentliche herunter: Ein Blick auf das Display genügt, um dank flexibel konfigurierbarer Prozessüberwachung zu sehen, ob sich die Zerspankräfte im grünen Bereich befinden oder ob eine Instabilität im Prozess vorhanden ist.
Bild 4: Kistler liefert komplette Messketten zur Überwachung und Optimierung komplexer Zerspanungsprozesse – vom Sensor bis zur Software.
Anspruchsvolle Zerspanungsprozesse nachhaltig optimieren
Kistler liefert also nicht nur geeignete Werkzeuge für Forschung und Entwicklung im Bereich Aerospace, sondern auch für die hochentwickelte Produktion in der Luft- und Raumfahrt. Durch den kombinierten Einsatz von hochempfindlichen Dynamometern, präzisen industriellen Messketten und der PTS App als Bindeglied und smarter Software gelingt der entscheidende Transfer von Entwicklungsdaten in produktiven Mehrwert. Das Ergebnis: Weniger Ausschuss bei teuren CFK-Bauteilen, optimierte Werkzeugstandzeiten und höchste Prozesssicherheit.