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Additiver Aufbau von Aerospace-Teilen in Serie

Lasersintern ermöglicht wirtschaftliche Fertigung von Triebwerkskomponenten für Airbus
Additiver Aufbau von Aerospace-Teilen in Serie

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15 Prozent weniger Treibstoffverbrauch – damit Airbus den Kunden seines neuen Kurz- und Mittelstreckenflugzeugs A320 neo diesen Vorzug bieten kann, müssen vor allem die Antriebe effizienter werden. Der MTU Aero Engines kommt als zentralem Zulieferer des US-Triebwerksherstellers Pratt & Whitney dabei eine Schlüsselrolle zu. Die Münchner forcieren innovative Produktionsverfahren, wie das Beispiel der additiven Fertigung von Boroskopaugen, Zugangsöffnungen für die Triebwerksinspektion, zeigt.

Die Luft- und Raumfahrtbranche ist eine der innovationsstärksten auf der ganzen Welt – allein für das Muster A380 hatte Hersteller Airbus über 380 Patente beantragt. Eine wichtige Rolle spielen in dieser Industrie neue und serientaugliche Werkstoffe und Technologien, unter anderem aus Kosten-, Gewichts- und Funktionsgründen. Hersteller und Zulieferer prüfen daher verstärkt das Leistungsvermögen additiver Fertigungsverfahren, bei denen ein Laser aus einem Pulver Schicht für Schicht Werkstücke aushärtet. Die Methode wurde ursprünglich im Prototypenbau eingesetzt, da sich damit sehr schnell Einzelteile produzieren ließen. Wegen seiner zahlreichen Vorteile hat es sich inzwischen auch erfolgreich in der Serienproduktion etabliert.

Die Liste der Vorteile dieses Verfahrens reicht von der Designfreiheit bis hin zur Vielfalt der verfügbaren Rohstoffe, seien es nun sehr leichte, aber feuerfeste bzw. schwer entflammbare Kunststoffe oder Metalle. Hinzu kommen generell Kostendruck und Sicherheit als starke Triebfedern, sobald sich ein Fluggerät in die Luft erhebt. Demnach gilt es, den richtigen Mittelweg bei der Einführung neuer Technologien zu beschreiten. Die MTU Aero Engines, Deutschlands führender Triebwerkshersteller, hat darum eine strategische Herangehensweise gewählt, um den Einsatz der additiven Fertigung in mehreren Schritten auszubauen.
Derzeit verwendet das Unternehmen bereits sieben Lasersinter-Maschinen von EOS. „Begonnen haben wir vor etwa zehn Jahren mit der Herstellung von Werkzeugen sowie einfachen Entwicklungsbauteilen“, sagt Dr. Karl-Heinz Dusel, Leiter Rapid Technologies bei der MTU in München. „Um die Auslastung auf den Systemen zu optimieren und unseren Stufenplan umzusetzen, haben wir nach weiteren Anwendungsfeldern gesucht.“ Der Mix aus Kosten- und Sicherheitsdenken einerseits sowie strategischem Innovationsstreben andererseits – und das jeweils für die Serienfertigung – bildeten den Kern der Herausforderung.
Anbauteile ermöglichen Inspektion der Blades
Für die neueste Triebwerksgeneration – den so genannten Getriebefan (GTF) – kommen bereits Boroskopaugen zum Einsatz, die mit den EOS-Maschinen hergestellt werden: „Mit Beginn der zweiten Phase haben wir angefangen, Rohteile zu produzieren, die bestehende Teile ersetzt haben. In diese Etappe fallen auch die Boroskopaugen der Niederdruckturbine des A320 neo-GTFs“, ergänzt Dusel. Mit den kleinen Anbauteilen lassen sich die im Triebwerk liegenden Turbinenschaufeln mit Hilfe von Endoskopen auf ihren Zustand und mögliche Abnutzungen hin überprüfen. Die Teile werden auf das Gehäuse genietet und erlauben es, das in der Luftfahrt Boroskop genannte Endoskop einzuführen.
Die verwendete Nickelbasislegierung zeichnet sich durch ihre Hitzebeständigkeit und Langlebigkeit aus: Zudem konnten bei der Verarbeitung hinsichtlich Werkstoffqualität die besten Ergebnisse erzielt werden, nicht zuletzt, weil die Nickellegierung, als schwer zu zerspanender Werkstoff, prädestiniert ist, mittels additiver Fertigung verarbeitet zu werden. Da die MTU auch als Rohmaterialhersteller agiert, hat das Unternehmen mit Einführung der EOS-Technologie eine neue Prozesskette entwickelt, zugelassen und in das Fertigungssystem integriert.
Der gesamte Herstellungsprozess unterliegt einer strengen, speziell von der MTU entwickelten Prozesskontrolle: Die Onlineüberwachung erfasst jeden einzelnen Produktionsschritt und jede Schicht. Daneben entstanden neue Qualitätssicherungsverfahren, wie etwa die optische Tomografie. Die EOS-Maschinen wurden zudem eigens durch das Luftfahrtbundesamt zertifiziert. Früher wurden die Boroskopaugen gegossen oder aus dem Vollen gefräst. Die Niederdruckturbine des A320 neo-Getriebefans ist die erste Turbine, die serienmäßig mit additiv gefertigten Boroskopaugen ausgerüstet wird – vor allem die Kostenvorteile der EOS-Technologie sowohl bei der Fertigung als auch bei der Entwicklung gaben dabei den Ausschlag.
Bis zu 2000 Teile pro Jahr additiv gefertigt
Die strategische Herangehensweise zahlte sich für die MTU aus, ebenso wie die Zusammenarbeit mit EOS: Das Hochfahren der Serienfertigung der Boroskopaugen hat bereits begonnen. 16 Teile pro Job sind vorgesehen, in Summe bedeutet das bis zu 2000 Stück pro Jahr. Die Einsparungen im Vergleich zu althergebrachten Verfahren sollen später im zweistelligen Prozentbereich liegen. Bereits jetzt ist die Qualität auf einem hohen Niveau. Gemeinsam arbeiten die MTU und EOS daran, die Nachbearbeitung der Bauteile weiter zu optimieren – vor allem an besonders glatten Oberflächen und der damit verbundenen perfekten Strukturmechanik.
Für Dusel liegen die Vorteile auf der Hand: „Die EOS-Technologie zeichnet sich durch nahezu unbegrenzte Designfreiheit aus und verkürzt Entwicklungs-, Fertigungs- sowie Lieferzeiten deutlich. Daneben senkt sie die Entwicklungs- und Produktionskosten drastisch. Leichtere und komplexere Bauteile können realisiert werden, und die Produktion erfolgt mit geringerem Material- und Werkzeugeinsatz.“
Die MTU sieht für die Fertigung von weiteren Serienteilen im Triebwerksbau viel Potenzial, wie etwa bei Lagergehäusen oder Turbinenschaufeln – beides Teile mit höchstem Anspruch an die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Das MTU-Ziel: In 15 Jahren soll ein signifikanter Anteil der Bauteile im industriellen 3D-Druck hergestellt werden. Die EOS-Technologie unterstützt damit erfolgreich die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens, das in einer der anspruchsvollsten Branchen überhaupt aktiv ist.
EOS GmbH www.eos.info
MTU Aero Engines AG www.mtu.de

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