Effizientere Triebwerke effizienter fertigen

Nur noch drei Liter Kerosin pro Passagier und 100 Kilometer Flugstrecke verbrauchen moderne Flugzeuge, so der Energieeffizienz-Report des Bundesverbands der Deutschen Luftverkehrswirtschaft (BDL). Der Verbrauchswert sinkt seit Jahren ab. Möglich wird dies durch eine Vielzahl von Maßnahmen – gerade effizientere Triebwerke mit Bauteilen aus Hochleistungs-Werkstoffen stehen ganz oben auf der Planungsliste der Konstrukteure.

Im Gegenzug fordert diese Entwicklung den beteiligten Maschinenbau heraus. Gesucht werden neue Produktionslösungen, die eine effiziente Bearbeitung zentraler Triebwerksbauteile, wie zum Beispiel Blisk und Einzelschaufeln, sicherstellen. Mit der Präzisen Elektrochemischen Metallbearbeitung (PECM) verfügt Emag über eine solche Technologie. Eine aktuelle Studie des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) und des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen bestätigt jetzt ihre hohe Wirtschaftlichkeit.

Die Blisk-Stückzahlen im Flugzeugbau nehmen zu. Große Triebwerke verfügen mittlerweile über mehrere Blisk-Stufen in ihrem Kompressor. Um den hier vorherrschenden extremen Temperaturen widerstehen zu können, werden die zentralen Bauteile aus sehr harten und hitzebeständigen Werkstoffen, wie zum Beispiel Nickel-Basislegierungen (Inconel) oder Titanaluminide, hergestellt. Vor diesem Hintergrund stößt die vielerorts etablierte spanende Bearbeitung an wirtschaftliche Grenzen – zum Beispiel, weil mit zunehmender Werkstoffhärte die Standzeit der teuren Fräswerkzeuge sinkt und somit die Produktionskosten zunehmen. Dazu kommen weitere Herausforderungen. Beim Spanen der Superlegierungen treten zum Beispiel immer höhere Temperaturen auf, die das Werkstoffgefüge negativ beeinflussen und somit die Prozess-Sicherheit gefährden.

Neue Studie bestätigt Wirtschaftlichkeit von PECM

Die Frage liegt also auf der Hand: Welche alternativen Bearbeitungsstrategien, die effizientere Prozesse in der Blisk-Produktion garantieren, stehen zur Verfügung? Eine systematische und detaillierte Antwort hierzu gibt etwa eine neue Untersuchung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) und des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen. Die Spezialisten verglichen verschiedene Blisk-Bearbeitungsstrategien – vom mehrachsigen Fräsen, kombiniert mit dem Polieren, bis hin zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden, kombiniert mit dem PECM-Schlichten. Dabei wird deutlich, dass bereits bei einer angenommenen Jahresproduktion von 800 nickelbasierten HPC-Blisks die Stückkosten im Vergleich zur spanenden Bearbeitung um mehr als 50 Prozent absinken können, wenn Anwender auf die richtige alternative Strategie setzen. Interessanterweise ist das PECM-Schlichten von Emag dabei jeweils unverzichtbar. Mithilfe des elektrochemischen Verfahrens wird der Werkstoff besonders sanft und mit minimalem Werkzeugverschleiß abgetragen.

Perfekte Oberflächen

Während des elektrochemischen Prozesses fließt zwischen dem Werkstück (der positiven Anode) und dem Werkzeug (der negativen Kathode) eine Elektrolytlösung. Dabei lösen sich Metall-Ionen vom Werkstück ab. Die Form der Kathode bzw. des Werkzeugs mit den aktiven, stromleitenden Bereichen ist so gewählt, dass der Materialabtrag am Werkstück zur gewünschten Bauteilkontur führt. Das führt zu Oberflächen mit maximaler Güte – ohne Gratbildung, ohne Veränderungen im Werkstoffgefüge und mit niedrigen Rauigkeitswerten. Nachfolgende Veredelungsprozesse an den Schaufeln, wie zum Beispiel das Gleitschleifen, können deshalb mitunter entfallen, oder sie laufen zumindest deutlich verkürzt ab. Beides ist gleichbedeutend mit einer Senkung der Stückkosten.

Die PECM-Technologie von Emag ist wiederum eine gezielte Weiterentwicklung dieses erfolgreichen Grundprinzips. Hierbei ist der Spalt zwischen Werkstück und Werkzeug, durch den die Elektrolytlösung fließt, besonders schmal. Gleichzeitig wird der Vorschub der Elektrolytflüssigkeit durch eine mechanische Oszillationsbewegung überlagert. Zusammen sorgen beide Faktoren für ein noch effektiveres und genaueres Abtragen von Werkstoff – und damit zu den wirtschaftlichen Vorteilen, die das Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen ermittelt hat.

Entwicklungspartner des Kunden

Die dazugehörige Maschinenbautechnologie entsteht seit Jahren bei der Emag ECM GmbH – dem Technologiezentrum für Elec- tro Chemical Machining (ECM) innerhalb der Emag. Für unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben im Triebwerksbau greifen die Experten dabei auf zwei unterschiedlich große PECM-Maschinentypen zurück: Das kompakte Modell PO 100 SF ist für die komplexe Bearbeitung von einzelnen Turbinenschaufeln ausgelegt. Hingegen kommt das größere Modell PO 900 SF bei der Bearbeitung der kompletten (und damit viel größeren) Disk zum Einsatz – in der Maschine lassen sich Bauteile mit einem Durchmesser von bis 900 Millimetern und einem Gewicht von bis maximal 500 Kilogramm bearbeiten. „Auf Basis dieser beiden Modelle entwickeln wir passgenaue und kostengünstige Produktionslösungen für kleine und große Bauteile“, erklärt Richard Keller, Mitglied der Geschäftsleitung bei der Emag ECM GmbH. In diesem Zusammenhang bieten die Experten eine komplette und weitgefasste Dienstleistung rund um das Verfahren an. Sie verstehen sich als Entwicklungspartner des Kunden. Im Zentrum steht unter anderem ein modernes Labor vor Ort. Es beinhaltet eine seriennahe und mehrachsige Anlage, mit deren Hilfe nicht nur die generelle Machbarkeit untersucht wird. Auch das Kosten-Nutzen-Verhältnis des Verfahrens mit Blick auf ein spezifisches Bauteil und seinen Werkstoff lässt sich präzise bestimmen.

„Run“ auf das Verfahren

In der Praxis führt der umfassende Ansatz von Emag ECM längst schon zu großen Erfolgen. So hat ein renommierter Triebwerkshersteller die auf einer PO 100 SF gefertigten Einzelschaufeln bereits 2014 für den Einsatz im Flugzeug zertifiziert – ungewöhnlich schnell nach dem Produktionsstart der Emag-Maschine bei einem israelischen Zulieferunternehmen. Ein ähnlicher Schritt steht derzeit auch in der Blisk-Fertigung mit der PO 900 SF an. Verschiedene nordamerikanische Unternehmen befinden sich mit ihren Bauteilen bereits in der Qualifizierungsphase für den Praxiseinsatz. Vor dem Hintergrund dieser Erfolge geben die Maschinenbauer ihrer Technologie herausragende Marktchancen. Einerseits verfügen sie über ein modulares Maschinenkonzept, das an die Anforderungen eines Bauteils schnell angepasst werden kann. Andererseits profitieren sie von der hohen Emag-Kompetenz bei der Entwicklung und Herstellung von Werkzeugmaschinen. Zentrale Emag-Innovationen wie Mineralit-Maschinengrundkörper, intelligente Soft- und Hardware-Schnittstellen oder effektive Automationslösungen fließen in jede ECM-Maschine mit ein. Die Maschinenbauer sind überzeugt: Für viele Innovationen im Flugzeugbau ist ihre Technologie fast schon unverzichtbar. Der „Run“ auf das ECM-Verfahren hat gerade erst begonnen.

Emag Holding GmbH www.emag.com