ILA: Produktionstechnik für effizientere Flugzeugtriebwerke

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    Flugzeuge sollen effizienter werden – dieser Punkt steht beim Design von Triebwerken im Vordergrund. Allerdings müssen sich die Ingenieure bei dem Entwurf der Bauteile auch danach richten, ob sich diese wirtschaftlich herstellen lassen. Eine neue Prozesskette schafft nun mehr Freiräume und ermöglicht bessere Produktions- und Reparaturprozesse. Auf der Messe ILA Berlin Air Show vom 20. bis 25. Mai präsentieren Aachener Fraunhofer-Forscher verschiedene Bauteile, die sie mit Hilfe von neuen Technologien hergestellt oder repariert haben (Halle 6, Stand 6212).

    In Zukunft, so Prognosen, wird der Flugverkehr weiterhin zunehmen. Um die Umwelt dennoch nicht über Gebühr zu belasten, sollen die Jets mit weniger Kerosin ans Ziel kommen und somit auch weniger Schadstoffe ausstoßen. Auch ihre Herstellung soll material- und ressourcenschonender werden.

    Völlig frei im Design

    Beim Design von Triebwerkskomponenten mussten die Ingenieure bisher vor allem darauf achten, dass die entworfenen Bauteile sich fertigen lassen. Das Motto lautete: »Design for Manufacture«. »Wir können dieses Paradigma nun umdrehen und statt Gestalten für die Fertigung `Manufacture for Design` anbieten«, sagt Dr. Ingomar Kelbassa, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Das heißt: Die Wissenschaftler können Bauteile produzieren, die sich bisher nicht fertigen ließen. Möglich ist das beispielsweise mit Selective Laser Melting (SLM). Das Verfahren funktioniert so: Wissenschaftler steuern einen Laserstrahl über ein Pulverbett und zeichnen dort die Form des Bauteils nach. Da, wo der Laser auf das Pulver trifft, schmilzt es zunächst und erstarrt dann zu einer festen Masse. Schicht für Schicht entsteht so das Bauteil. Bislang werden die Teile durch Fräsen hergestellt. Das ist natürlich mit viel Materialverlust verbunden, außerdem gibt es Einschränkungen bei der Fertigung bestimmter Geometrien.

    Die Forscher arbeiten jetzt gemeinsam mit ihren Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT daran, das Verfahren in eine durchgängige Prozesskette zu integrieren. Um zu verdeutlichen, was die neuartige Prozesskette leisten kann, haben sie einen Schaufelcluster produziert, der aus sechs Doppelschaufeln besteht. Bisher ließen sich die Schaufeln für Turbinen nur paarweise als Twinblades herstellen. Nun kann man sie wesentlich einfacher und schneller montieren. Die Experten haben auch den Fuß des Schaufelclusters, den sie auf der Messe zeigen, optimiert: Dieser war bisher herstellungsbedingt massiv, nun ist erstmals eine Wabenstruktur möglich. Das gesamte Bauteil wird dadurch um etwa 30 Prozent leichter. »Wir kombinieren Fräsen und SLM miteinander«, verdeutlicht Dr. Thomas Bergs, geschäftsführender Oberingenieur am IPT. Die Forscher vergleichen zum einen, wie leistungsstark die einzelnen Verfahren sind, und zum anderen, ob sie eine erweiterte Design-Freiheit bieten – und damit mehr Möglichkeiten, die Effizienz des Triebwerks zu erhöhen.

    Die Forschungsarbeiten sind ein Teilprojekt des Innovationsclusters AdaM, kurz für »Adaptive Produktion für Ressourceneffizienz in Energie und Mobilität«: Darin bündeln die Fraunhofer-Institute IPT und ILT sowie 21 Industriepartner ihre Kompetenzen. Das Ziel liegt darin, neue Konzepte für Turbomaschinen – unter anderem für Triebwerke – technisch umzusetzen, so dass sie Energie effizienter nutzen. Weiterhin sollen CO2-Emissionen gesenkt und Ressourcen geschont werden.

    Auch die Reparatur gehört zum Lebenszyklus

    Betrachtet man den Lebenszyklus einer Turbinenschaufel, so stehen nach einiger Zeit Reparaturen an. Im Innovationscluster AdaM haben die Forscher sich daher auch der Instandsetzung und -haltung von Triebwerkschaufeln gewidmet: Mussten die Techniker diese Schaufeln bisher von Hand reparieren, ist der Prozess nun komplett automatisiert. »Wir konnten die Bearbeitungszeit damit mindestens halbieren. Und was noch wichtiger ist: Das Verfahren ist reproduzierbar und die Qualität der Reparatur gesichert«, sagt Bergs.

    Ein wichtiger Schritt hin zur Automatisierung war die Entwicklung des »CAx-Framework«: Diese Software erlaubt es, alle verschiedenen Reparatur-Technologien von einer Plattform aus zu bedienen. CAx steht dabei für Computer aided x, was übersetzt computerunterstützt heißt. Das »x« steht für die einzelnen Technologien der Produktion. Eine beschädigte Schaufel wird zunächst messtechnisch erfasst. Eine Fräsmaschine bearbeitet den Defekt, anschließend baut ein Laser die Schaufel Schicht für Schicht mittels SLM wieder auf. Für Gasturbinen haben die Forscher dieses Verfahren bereits umgesetzt, nun konnten sie es auch auf Triebwerkschaufeln ausweiten.

    Auf der Messe ILA zeigen die Forscher sowohl eine etwa sechs Zentimeter große reparierte Helikopterschaufel als auch die drei Meter lange Schaufel einer Transall-Maschine. Weiterhin stellen sie neue Herstellungsverfahren für blade integrated disks, kurz Blisk, vor: Hierbei handelt es sich um hochbeanspruchte Verdichterstufen, deren einzelne Schaufeln aus einem Stück herausgefräst wurden. Das Ergebnis sind aerodynamisch verbesserte und leichtere Bauteile.

     

    Bild: Spanende Nachbearbeitung generativ gefertiger Bauteile.
    © Fraunhofer ILT
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