Kosten sparen beim Bau von Flugzeugturbinen

Forschung Kompakt / 3.8.2015

Verdichterscheiben für Flugzeugturbinen werden aus einem Materialstück herausgefräst. Bei der Bearbeitung fangen die Schaufeln an zu schwingen. Ein neuartiges Spannsystem steigert die Dämpfung der Schaufeln nun auf mehr als das 400-fache. Es lassen sich bis zu 5000 Euro Kosten bei der Fertigung einsparen.

Kosten sparen beim Bau von Flugzeugturbinen
© Foto Fraunhofer IPT

Das dreiteilige Spannsystem fixiert die Schaufeln der Blisk (untere Bildmitte in weißer Farbe). Von oben wird Kühlschmierstoff eingespritzt.

Mal eben schnell in den Urlaub jetten oder für ein langes Wochenende nach Rom, Paris oder Madrid fliegen? Der Flugverkehr steigt, insbesondere der Personenverkehr verdoppelt sich alle 15 Jahre. Auch die Hersteller von Flugzeugturbinen versuchen daher, ihre Fertigungskapazitäten an die steigende Nachfrage anzupassen. Das ist jedoch nicht einfach: Um die Verdichterscheiben – an denen die Turbinenschaufeln montiert sind – möglichst leicht zu bauen, werden sie aus einem Materialstück heraus gefräst und nicht mehr wie früher Schaufel für Schaufel zusammengesetzt. Bei den Verdichterscheiben aus einem Guss spricht man auch von »Blade Integrated Disk«, kurz Blisk. Sie verdichten die Luft in der Turbine. Doch ihre Herstellung birgt Probleme: Denn die Turbinenschaufeln sind naturgemäß lang und dünn. Sie fangen beim Fertigen an zu schwingen wie eine Stimmgabel. Das erschwert jede weitere Bearbeitung. Die Hersteller fräsen daher nicht die ganze Schaufel in einem Rutsch, sondern gehen Stück für Stück vor. Das heißt: Sie fertigen das äußerste Stück der Schaufel bis zum Endzustand und fräsen erst anschließend weiter. Doch diese Herstellungsweise bringt Nachteile mit sich: Die Turbinenschaufeln stehen unter Spannung und ihre Geometrie verzieht sich danach noch geringfügig.

Spannsystem beseitigt Schwingungsprobleme

Abhilfe verspricht ein neuartiges Spannsystem des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen: Es treibt den Schaufeln das Schwingen aus. »Die Dämpfung von Titanblisken beträgt mit dem Spannsystem 12,5 Prozent, ohne das System liegt sie bei 0,027 Prozent«, sagt Roman Kalocsay, Ingenieur am IPT. Mit dem Spannsystem können die Hersteller die Schaufeln zunächst grob aus dem Material herausfräsen. Sobald sich die Schaufeln nicht mehr bewegen, lassen sie sich präzise fertigen.

Keine Schwingung – das schlägt sich auch in den Herstellungskosten nieder. Mit dem Spannsystem lassen sich pro Blisk bis zu 5000 Euro einsparen. Die Bauteile können zwischen 30 000 und 80 000 Euro kosten. Der Grund: Schwingen die Schaufeln, belasten sie damit auch die Schneidkante der Werkzeuge. Es entstehen Risse, die sich durch die mechanische und thermische Beanspruchung schnell vergrößern. Oftmals müssen die Werkzeuge bereits nach vier Metern Schnittlänge ausgewechselt werden. Mit dem Spannsystem dagegen halten sie ersten Versuchen zufolge etwa zwei- bis dreimal länger als bisher.

Doch wie funktioniert das Klemmsystem? »Von beiden Seiten fahren federgelagerte Klemmen automatisch an die Schaufel – die Kräfte sind auf beiden Seiten gleich«, erläutert Kalocsay. »Sobald die Elemente richtig positioniert sind, werden sie hydraulisch verklemmt und halten das Werkstück wie eingegossen.« Der Prototyp des Spannsystems ist im Innovationscluster »Adaptive Produktion für Ressourceneffizienz in Energie und Mobilität«, kurz AdaM, entstanden.

Bei Reparaturen können die Schaufeln nicht Stück für Stück aus dem Material heraus gefräst werden – schließlich sind alle Schaufeln bereits vorhanden. Sind deren Kanten beispielsweise »ausgefranst«, tragen die Hersteller das Material über das Laserauftragsschweißen wieder auf und fräsen die Kante anschließend auf die gewünschte Form. Mit Klemmen oder Gummis versuchen die Werker, die Schaufeln so gut wie möglich zu fixieren. Sie ganz gerade auszurichten, ist aber nahezu unmöglich. In einem zeitaufwändigen Prozedere müssen sie die Werkstücke daher neu vermessen, da nicht klar ist, wie stark diese entweder nach links oder rechts abweichen. Auch hier hilft das Spannsystem: »Es verändert die Geometrie der Blisk nicht um einen Mikrometer. Die Schaufel ist innerhalb weniger Sekunden eingespannt und kann bearbeitet werden«, sagt Kalocsay. Das funktioniert in diesem Fall allerdings ein wenig anders aus als bei der Fertigung neuer Blisks: Die Spannelemente sind ringförmig angeordnet und fixieren nicht nur eine, sondern alle Schaufeln gleichzeitig.