Fraunhofer IPT entwickelt neue Strategien zur Fertigung von Turbomaschinenkomponenten
In einem einzigen Anlauf fertigte ein Forschungsteam des Fraunhofer-
Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen kürzlich eine Titan-
Blisk aus einem 230 Kilogramm schweren Rohteil. Dem Team gelang es in
einem 300-stündigen Fertigungsprozess, den hochkomplexen Prototyp
fehlerfrei herzustellen. Auf die sonst üblichen und kostspieligen
iterativen Schritte bis zur Fertigstellung des Bauteils konnten die
Wissenschaftler dank neuer digitaler Verfahren zur Simulation und
Prozessauslegung vollständig verzichten.
Das Team rund um die Prototypenfertigung des Fraunhofer IPT fertigte
kürzlich eine Blisk von rund 650 Millimeter Durchmesser und einer
Schaufellänge von etwa 250 mm aus einem einzigen Rohteil. Bei dem Bauteil
handelte es sich um eine maßstabsgerecht verkleinerte Fan-Blisk, das
vorderste und größte Schaufelrad des Triebwerks. Die Blisk besteht aus
Ti6Al4V, einer besonders schwierig zu zerspanenden Titanlegierung.
Entworfen hatte die Blisk das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt
e.V. (DLR), um sie anschließend, gemeinsam mit dem Institut für
Flugantriebe und Strömungsmaschinen der Technischen Universität
Braunschweig und Rolls-Royce Deutschland im Rahmen eines vom Land
Niedersachsen im EFRE- Programm geförderten trilateralen
Forschungsprojekts für Versuche auf dem Querwindprüfstand für
Luftfahrtantriebe in Braunschweig einzusetzen.
»First Part Right«-Strategie zur Fertigung des Blisk-Prototyps
Die Fertigung der Fan-Blisk stellte das Fraunhofer-Team vor gleich mehrere
Herausforderungen. Einige lagen in der geforderten Größe des Bauteils und
den verhältnismäßig langen Fanschaufeln begründet, andere hatten mit den
enorm hohen Anforderungen an die Prozesskette zu tun, denn eine Fan-Blisk
solcher Größe aus einem Stück zu fertigen, ist Pionierarbeit.
Rund 230 Kilogramm brachte der Rohling auf die Waage, als er in der
Maschine aufgespannt wurde. Am Ende wog das fertige Bauteil nur noch 22
Kilogramm. Es galt also, eine enorme Menge Werkstoff prozesssicher und
innerhalb extrem enger Toleranzen zu zerspanen. Da die Forscherinnen und
Forscher produktionstechnisches Neuland betraten, mussten sie neue
Fertigungsstrategien für die Dreh- und Fräsbearbeitung ermitteln und
auswählen. Aufgrund des enorm hohen zu zerspanenden Werkstoffvolumens
entschied das Team aus ökonomischen und ökologischen Gründen, die
sogenannte »First-Part-Right«-Strategie anzuwenden. Bei dieser Strategie
wird das Bauteil gefertigt, ohne dass der Prozess zuvor an einem
Auslegungsbauteil erprobt wird.
Um eventuelle Abweichungen oder sonstige kritische Zustände frühzeitig
vorherzusehen und ausgleichen zu können, setzte das Team verstärkt auf
digitale Methoden in allen Prozessabschnitten: von der CAM-Planung über
die Prozessauslegung bis zur Qualitätsüberwachung während der Fertigung.
Automatische Ermittlung passender Spindeldrehzahlen um Bauteilschwingungen
zu vermeiden
Die langen Fanschaufeln geraten bei der Fräsbearbeitung in Schwingung. Um
das zu vermeiden, mussten die Forscherinnen und Forscher besonders für das
Schlichten der Oberfläche vorteilhafte Spindeldrehzahlen ermitteln. Dazu
bestimmten sie kontinuierlich die Werkstückdynamik, die sich während des
Fräsprozesses ständig verändert. Das Team nutzte dazu sowohl
Referenzmessungen mit dem Laservibrometer als auch Simulationen anhand der
Finite Elemente-Methode (FEM). Um die passenden Spindeldrehzahlen
automatisch auszuwählen, verwendete das Team eine selbst entwickelte
Software, die auf Basis der Eigenfrequenzen von Werkzeug und Werkstück
arbeitet.
Nach rund 300 Stunden Bearbeitungszeit war es geschafft: Die Fan-Blisk war
fertig, die Strategie war aufgegangen. Vor einigen Tagen übergab das Team
des Fraunhofer IPT den Projektpartnern des DLR das Bauteil für den
Prüfstandeinsatz.
