Produktionstechnik für effizientere Flugzeugtriebwerke

Die Triebwerke lassen sich einfacher und schneller montieren, wenn die einzelnen Bauteile bereits sechs Schaufeln umfassen anstatt wie bisher lediglich zwei / Bildquelle: Fraunhofer ILT

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 präsentierten Aachener Fraunhofer-Forscher verschiedene Bauteile, die sie mit Hilfe von neuen Technologien hergestellt oder repariert haben.

Spanende Nachbearbeitung generativ gefertigter Bauteile / Bildquelle: Fraunhofer ILT

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.

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. Nach Dr. Ingomar Kelbassa, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, kann dieses Paradigma nun umgedreht werden und statt Gestalten für die Fertigungnheißt es dann Manufacture for Design. Das bedeutet: Die Wissenschaftler können Bauteile produzieren, die sich bisher nicht fertigen ließen. Möglich ist das beispielsweise mit Selective Laser Melting (SLM). 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 % leichter. Dr. Thomas Bergs, geschäftsführender Ingenieur am IPT, verdeutlicht die Kombination zwischen Fräsen und der SLM Technologie. 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 (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.

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. Bergs und sein Team konnten die Bearbeitungszeit damit mindestens halbieren. Und was noch wichtiger ist: Das Verfahren ist reproduzierbar und die Qualität der Reparatur gesichert.

Ein wichtiger Schritt hin zur Automatisierung war die Entwicklung des CAx-Framework: Diese Software erlaubt es, alle verschiedenen Reparaturtechnologien 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 ILA zeigen die Forscher sowohl eine etwa sechs Zentimeter große reparierte Helikopterschaufel als auch die drei Meter lange Schaufel einer Transall-Maschine. Weiterhin stellten 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.

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