Verdichter- und Turbinenschaufeln sind wichtige Bauteile von Flugzeugtriebwerken und Gasturbinen. Im Schadensfall ist eine Reparatur oft günstiger als der Neukauf. Doch die Prozesse sind aufwendig. Ein robotergestütztes Verfahren sorgt jetzt für mehr Effizienz.
Die deutsche Turbomaschinenbranche boomt. In den vergangenen 25 Jahren konnte sie ihren Anteil am Weltmarkt von 15 auf 30 Prozent verdoppeln. Immer wichtiger für die Hersteller wird das Servicegeschäft, also Instandhaltungs- und Wartungsarbeiten (englisch: Maintenance, Repair and Overhaul – MRO). Besonders beanspruchte Teile der Turbomaschinen sind die Schaufeln in Verdichter und Turbine. Ihre Aufgabe ist es, die Strömungsenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Sie sorgt dafür, dass Flugzeugtriebwerke den nötigen Schub oder Kraftwerksgeneratoren ausreichend Strom erzeugen.
Schäden an Schaufeln von Flugzeugturbinen entstehen zum Beispiel durch Verschleiß aufgrund Schwingung und Reibung oder Erosion durch Sand- und Staubpartikel. Weitere Auslöser sind harte Landungen, wenn einzelne Triebwerkskomponenten einander berühren oder größere Objekte, die in das Triebwerk einschlagen. Die geometrisch komplexen, meist aus titan- oder nickellegiertem Stahl bestehenden Bauteile verbiegen oder reißen ein, der Luftstrom ist nicht mehr optimal. Das kann dazu führen, dass die Leistung der Triebwerke abfällt und der Spritverbrauch steigt.
Nach Martin Bilz, Leiter der Abteilung Fertigungstechnologien am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin, lohnt sich die Reparatur der beschädigten Bauteile. Eine einzelne Turbinenschaufel kann je nach Stufe und Triebwerksgröße mehrere tausend Euro kosten. Bei bis zu 80 Schaufeln pro Maschine wären die Betreiber der Anlagen schnell mit sehr hohen Summen konfrontiert. Die Reparatur ist dagegen über 50 Prozent günstiger. Doch deren Prozesse sind sehr aufwendig. Die einzelnen Arbeitsschritte lassen sich nicht einfach in die größtenteils automatisierte Serienfertigung integrieren. Spezialisten bearbeiten die Werkstücke per Hand oder mit speziell eingerichteten Werkzeugmaschinen. Abhängig von deren Größe kann es von mehreren Stunden bis zu einigen Tagen dauern, bis eine einzelne Schaufel wieder instand gesetzt ist. Aufgrund der strengen Qualitätssicherung in der Luftfahrtindustrie stehen beispielsweise einzelne rotierende Triebwerkskomponenten oft erst nach zwei bis drei Wochen wieder zur Verfügung.
Im Rahmen des Fraunhofer-Innovationsclusters MRO setzten sich die Forschungseinrichtungen IPK und das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der TU Berlin deshalb zum Ziel, ein automatisiertes, robotergestütztes Verfahren zu entwickeln. Während Werkzeugmaschinen gleichbleibend teuer sind, werden Roboter immer günstiger und sind mittlerweile auch für Bearbeitungsaufgaben einsetzbar, so begründet Bilz den Ansatz der Institute. Den Forschern zur Seite standen Spezialisten von Turbomaschinenherstellern wie MAN, MTU, Rolls-Royce und Siemens. Gemeinsam mit weiteren Partnern aus Wirtschaft und Forschung gelang es dem IPK, nicht nur einzelne Prozessschritte für die Automatisierung fit zu machen. Bilz und seine Kollegen entwickelten auch ein Verfahren, bei dem ein Roboter innerhalb einer einzelnen Fertigungszelle mehrere Reparaturstationen durchläuft. Das Besondere daran ist, der Roboter hat das Bauteil zu jeder Zeit fest im Griff und wendet sich den – in einem Umkreis von etwa 15 Quadratmeter um ihn herum gelegenen – Stationen einzeln zu. Er reinigt das Bauteil, erfasst seine Geometrie und die Fehlstellen und bearbeitet es spanend nach.
Die robotergestützte Fertigungszelle ist nicht nur ein gutes Beispiel für ressourcen- schonende und energieeffiziente MRO-Prozesse, sondern hat auch Impulse für die Neufertigung von Turbomaschinenkomponenten gebracht. Es macht beispielsweise die Reparatur von Verdichterschaufeln genauer, schneller und günstiger. Die Wissenschaftler des IPK sind nun bestrebt, die Technologie rasch in den Fertigungshallen der Industrie anzusiedeln.
Fraunhofer treibt das Thema weiter voran: Ende Mai startete das neue Innovationscluster Life Cycle Engineering für Turbomaschinen. Mit dabei sind neben dem IPK die beiden Berliner Fraunhofer-Institute für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut (HHI) sowie das Dresdner für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Die Inhalte des Clusters sind darauf fokusiert, energieeffiziente und ressourcenschonende Technologien für alle Lebenszyklen von Turbomaschinen bereitzustellen. Neben MRO werden hier auch die vorgelagerten Prozessschritte wie Design und Produktion betrachtet. Im Mittelpunkt stehen dabei Triebwerke in der Luftfahrt und Gasturbinen in der Energieerzeu-
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Text zum Titelbild: An der Schleifstation bessert der Roboter automatisiert die beschädigten Stellen einer Turbinenschau aus / Bild: IWF TU Berlin
