Präzisionsbearbeitung von PEI für die Luft- und Raumfahrt: Wie KGL Machinery die größte Polymerherausforderung von SAFRAN meisterte.

Firmenprofil: KGL Machinery (KINNEX PRECISION)

KGL Machinery wurde 2013 in Shenzhen, China, gegründet und hat sich von einem Start-up mit 2 CNC-Maschinen zu einem Unternehmen mit über 100 Maschinen auf einer Fläche von 12.300 Quadratfuß entwickelt. Wir betreuen über 200 Kunden weltweit in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Robotik, Halbleiter und Erdöl.

Leitung: Dr. Jason Hu

Unser Gründer und Geschäftsführer, Dr. Jason Hu, ist Maschinenbauingenieur mit 26 Jahren Berufserfahrung und promovierte an der NLBA Business University in den Niederlanden. Seine Doktorarbeit zum Thema Lean Manufacturing wurde direkt bei KGL umgesetzt und führte zu einer Präzision von ±0,003 mm auf Mazak-5-Achs-Maschinen sowie einer 30%igen Reduzierung des Produktionszyklus.

Hochwertige Infrastruktur

• Hexagon GLOBAL S 07.10.07 + Zeiss CAPTUM 7/10/6 Verity Koordinatenmessgeräte (0,0015 mm Präzision)
• Olympus DPO6500 Legierungsspektrometer
• Keyence IM-8010 Bilddimensionsmessung (0,003 mm)
• Dreistufiges Qualitätskontrollsystem (IQC-IPQC-FQC)

Die Herausforderung: SAFRAN PEI Abwasserbehandlungskomponenten

Client & Anwendung

SAFRAN, ein französischer Tier-1-Zulieferer der Luft- und Raumfahrtindustrie, benötigte eine Reihe von PEI-Komponenten (Polyetherimid/Ultem) für ein Abwasseraufbereitungssystem für Flugzeuge. Die Teile mussten einem Innendruck von bis zu 3 bar, Temperaturwechseln von -40 °C bis +80 °C sowie dem Kontakt mit in der Luft- und Raumfahrt verwendeten Chemikalien standhalten – und das alles bei einer geometrischen Toleranz von ±0,01 mm.

Material: Deutsches Röchling PEI

PEI wurde direkt bezogen von Röchling Engineering Plastics GmbH in Deutschland gemäß Luft- und Raumfahrtstandards gefertigt. Wichtigste Eigenschaften:

Vier zentrale Herausforderungen

1. Extreme Verformung und Gratbildung: Die Zähigkeit von PEI führt bei der Bearbeitung zu elastischer Rückstellung und ausgefransten Kanten.

2. ±0,01 mm Toleranz bei thermischer Empfindlichkeit: Die Bearbeitungswärme verursacht Maßabweichungen; der Wärmeausdehnungskoeffizient von 56 ppm/°C macht eine Temperaturkontrolle unerlässlich.

3. Schlechte Schweißbarkeit: Die hohe Glasübergangstemperatur von PEI verhindert eine thermische Erweichung; herkömmliche Schweißverfahren versagen.

4. 3D-Druck und Spritzguss abgelehnt: Die additive Fertigung führte zu Toleranzen von ±0,1-0,3 mm und anisotropen Eigenschaften; der Spritzguss erforderte Werkzeugkosten von über 50.000 US-Dollar und eine Vorlaufzeit von 12-16 Wochen für lediglich 200-500 Einheiten pro Jahr.

Unsere Lösung: Mazak 5-Achs- und 9-Achs-CNC-Bearbeitung + firmeneigenes Schweißverfahren

Ausstattung: Mazak 5-Achsen-Cluster

Fünf Mazak 5-Achsen Die VARIAXIS C-600 / J-500 Bearbeitungszentren boten die geometrische Flexibilität, komplexe Innenkanäle, asymmetrische Öffnungen und dünnwandige Abschnitte in einer einzigen Aufspannung zu bearbeiten – wodurch Nachspannfehler vermieden wurden, die die Toleranz von ±0,01 mm zunichtemachen würden.

• Positioniergenauigkeit: ±0,003 mm
• Steuerung: Mazak SMOOTHX CNC mit Temperaturkompensation
• Arbeitsbereich: Ø500-600 mm

Ausrüstung: Mazak 9-Achs-Dreh-Fräsmaschine

Für Bauteile, die zylindrische und prismatische Merkmale kombinieren, setzten wir zwei Mazak INTEGREX i-250H/HS 9-Achs-Dreh-Fräszentren ein:

• Positioniergenauigkeit: ±0,003 mm
• Drehdurchmesser: Ø670 mm
• Drehlänge: 1.011 mm / 1.519 mm
• Hauptvorteil: Ein einziges Spannfutter für Drehen, Fräsen, Bohren und Seitenfräsen – entscheidend für wärmeempfindliches PEI

Die Möglichkeit des INTEGREX, das Material in einem Arbeitsgang zu befüllen, war entscheidend: Jedes erneute Befüllen führt zu thermischen Störungen und mechanischer Belastung. Durch die Durchführung aller Arbeitsgänge in einer Aufspannung konnten wir das thermische Gleichgewicht aufrechterhalten und einen Cpk-Wert von > 1,67 erreichen.

Bearbeitungsstrategie: Mehrparameteroptimierung (MPO)

Wir haben eine proprietäre MPO-Strategie entwickelt, die sieben voneinander abhängige Variablen gleichzeitig auf unseren Mazak-Plattformen optimiert:

Ergebnis: 72 % weniger Gratbildung, 85 % Verbesserung der Dimensionsstabilität.

Wärmemanagement: TDMS

Unser firmeneigenes System zur thermischen Dynamiksteuerung (TDMS) integriert FEA-Vorhersagemodellierung, Infrarot-Thermografie und CNC-Kompensation in Echtzeit über die Mazak SMOOTHX Makroprogrammierschnittstelle. Das geschlossene Regelsystem erreicht eine Genauigkeit der thermischen Kompensation von ±2 Mikrometern – deutlich innerhalb unseres Toleranzbereichs von ±10 Mikrometern.

Durchbruch beim Ultraschallschweißen

Nach 8 Monaten Forschung und Entwicklung haben wir einen proprietären 35-kHz-Prozessor entwickelt. Ultraschallschweißen Verfahren mit einem mikroverzahnten Energieleiter (0,1 mm Teilung), der die effektive Schweißfläche um 40 % erhöht:

Ergebnisse & Qualitätsprüfung

Dimensionsprüfung (Stichprobe)

Alle Messungen wurden nach 24-stündiger thermischer Stabilisierung auf Hexagon/Zeiss-Koordinatenmessgeräten (0,0015 mm Auflösung) durchgeführt:

Prozesssteuerungskennzahlen

Warum Mazak CNC 3D-Druck und Spritzguss übertrifft

Bei der Entscheidung über die Herstellung von PEI-Komponenten für die Luft- und Raumfahrt evaluieren Ingenieure typischerweise 3D-Druck, Spritzguss und CNC-Bearbeitung. Hier erfahren Sie, warum CNC für Kleinserien mit hohen Präzisionsanforderungen überlegen ist:

Für die 200-500 Einheiten/Jahr von SAFRAN mit komplexen internen Kanälen und ohne Entformungswinkel war die 5-Achs- + 9-Achs-CNC-Bearbeitung von Mazak die einzig praktikable Methode.

Komponentengalerie

Abbildung 1: PEI-Komponentenbaugruppe

Abbildung 1: Primäre PEI-Komponentenbaugruppe – komplexe Mehrportgeometrie, bearbeitet auf einem Mazak VARIAXIS J-500 5-Achs-Bearbeitungszentrum.

Abbildung 2: Detail der internen Geometrie

Abbildung 2: Interne Kanäle und Hohlraumstrukturen mit präziser Oberflächenbearbeitung.

Abbildung 3: Präzisionsgeometrie in Draufsicht

Abbildung 3: Symmetrische Portanordnung mit bernsteinfarben-transparenter PEI-Optik.

Abbildung 4: Kreisförmige PEI-Komponente

Abbildung 4: Komplexes kreisförmiges Bauteil mit mehreren Präzisionsanschlüssen und internen Kanälen.

Abbildung 5: PEI-Laufrad/Scheibe

Abbildung 5: Laufradkomponente mit komplexer Schaufelgeometrie für die Fluidförderung.

Abbildung 6: PEI-Gehäuse mit mehreren Funktionen

Abbildung 6: Hauptgehäuse mit Befestigungszapfen, Bohrungen und Schnittstellenflächen.

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Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Warum ist PEI (Ultem) schwer zu bearbeiten?
A: PEI besitzt eine hohe Glasübergangstemperatur von 217°C und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 56 ppm/°C, wodurch es extrem empfindlich auf Bearbeitungswärme reagiert, die eine schnelle thermische Ausdehnung und Dimensionsabweichung verursacht.

F: Warum sollte man bei PEI-Komponenten für die Luft- und Raumfahrt CNC-Bearbeitung dem 3D-Druck oder dem Spritzgussverfahren vorziehen?
A: Additive Fertigungsverfahren weisen nicht die erforderliche strukturelle Integrität und engere Toleranzen auf (Produktionsgenauigkeit ±0,1–0,3 mm gegenüber ±0,01 mm bei CNC-Bearbeitung). Spritzgussverfahren erfordern prohibitive Werkzeugkosten (über 50.000 US-Dollar) und Lieferzeiten von 12–16 Wochen, was für kleine bis mittlere Produktionsserien (200–500 Einheiten/Jahr) unpraktisch ist.

F: Wie erreicht KGL enge Toleranzen von ±0,01 mm bei temperaturempfindlichen Polymeren?
A: Wir kombinieren Multi-Parameter-Optimierung (MPO) auf Mazak 5-Achs/9-Achs-Plattformen, niedrige Spindeldrehzahlen für geringe Wärmeentwicklung, kundenspezifische PKD-Werkzeuge und unser proprietäres Thermal Dynamics Management System (TDMS) zur thermischen Echtzeitkompensation.

Abschluss

Das SAFRAN PEI-Projekt demonstriert eindrucksvoll, was 26 Jahre Erfahrung in der Zerspanung, die 5- und 9-Achs-Technologie von Mazak sowie systematische Investitionen in Forschung und Entwicklung leisten können. Durch die Lösung von Problemen, die mit 3D-Druck und Spritzguss nicht zu bewältigen waren, hat KGL Machinery (KINNEX PRECISION) bewiesen, dass die chinesische Präzisionsfertigung kundenspezifische Polymerbauteile für die Luft- und Raumfahrt mit einer Toleranz von ±0,01 mm liefern kann.

Unsere Kombination aus Mazak VARIAXIS J-500 5-Achs- und Mazak INTEGREX i-250H/HS 9-Achs-Dreh-Fräszentren, firmeneigenem TDMS-Wärmemanagement und fortschrittlichem Ultraschallschweißen schafft eine wirklich differenzierte Fähigkeit für PEI, PEEK, POM und andere Hochleistungspolymere.

Als führender Anbieter von PEI-Bearbeitungsdienstleistungen in China bietet KGL Machinery bewährte Kompetenz, AS9100D-Zertifizierung und eine wettbewerbsfähige Positionierung für globale OEMs – unterstützt durch mehr als 100 Maschinen, mehr als 110 Mitarbeiter und 13 Jahre unermüdliches Streben nach höchster Präzision.

Technischer Support innerhalb von 24 Stunden | Schnelle Prototypenerstellung innerhalb von 48 Stunden | Vollständige Rückverfolgbarkeit der Qualität

Über den Autor

Dr. Jason Hu ist Geschäftsführer der KGL Machinery & Electronics Co., Ltd. Er ist Diplom-Ingenieur (Maschinenbau) und promovierte an der NLBA Business University in den Niederlanden. Er verfügt über 26 Jahre Erfahrung in der Präzisionsbearbeitung. Unter seiner Führung wuchs KGL von zwei Maschinen im Jahr 2013 auf über 100 Maschinen und betreut mehr als 200 Kunden weltweit.

Kontakt

KGL Machinery & Electronics Co., Ltd.
Webseite: www.kglmfc.com | www.kglprecision.com
E-Mail:kgl@kglmfc.com
Standort: Shenzhen, Guangdong, China
Anlage: 12.300 Quadratfuß große Produktionsfläche
Zertifizierungen: ISO 9001:2015 | ISO 13485:2016 | AS9100D | Nationales Hightech-Unternehmen