Additive Fertigung zur Herstellung von Triebwerkskomponenten für die Luftfahrt
© Fraunhofer IPT
Globalisierung und Klimawandel sind zwei der großen Herausforderungen für die Luftfahrt. Der »European Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation« der Europäischen Kommission für Forschung und Innovation sieht für Europa eine Vorreiterrolle bei der Vereinbarkeit einer angemessenen Mobilität der Fluggäste, Sicherheit und Umweltschutz vor. Dazu müssen sich Design, Fertigung und Systemintegration weiterentwickeln. Einen vielversprechenden Ansatz bietet eine wissenschaftliche Kooperation in Aachen: Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und der Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen entwickeln zurzeit eine Prozesskette zur Herstellung von Blade Integrated Discs (BLISK), in die das additive Fertigungsverfahren »Laser Powder Bed Fusion« (LPBF) intergiert wird.
Die Aachener Turbomaschinen-Experten des Fraunhofer IPT arbeiten bereits seit Jahren an nachhaltigen Konzepten, Methoden und Werkzeugen für die Luftfahrt. Gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen haben sie die Prozesskette zur Herstellung von Triebwerkskomponenten, insbesondere von Blade Integrated Discs (BLISK), nun genauer betrachtet. Modernste BLISKs werden unter anderem aus nickelbasierten Superlegierungen hergestellt. Dieses Material ist schwer zu bearbeiten, so dass die Herstellung des Schaufelprofils durch etabliertes Fräsen sehr zeit- und kostenintensiv ist. Aus diesem Grund hinterfragten die Forscher die konventionellen Fertigungsverfahren und testeten stattdessen die additive Technologie »Laser Powder Bed Fusion« (LPBF). Dabei wird Metallpulver durch einen Laserstrahl gemäß den Geometrieinformationen Schicht für Schicht aufgeschmolzen.
Additive Verfahren bieten wirtschaftliche und ökologische Vorteile
Die Forscher demonstrieren am Beispiel einer BLISK eine ganzheitliche
Prozesskette für die Herstellung von Triebwerkskomponenten – vom Design
und der Auslegung über die additive Fertigung, die Wärmebehandlung und
die subtraktive Nachbearbeitung bis hin zur Qualitätssicherung. Das Ziel
ist, die BLISKs, vor allem die Schaufelprofile, endkonturnah zu
fertigen, sodass nur wenig überschüssiges Material entfernt werden muss.
Deshalb mussten die Forscher zunächst ein passendes
LPBF-Herstellungsverfahren für BLISKs entwickeln. Gitterstrukturen
stützen das dünnwandige Bauteil während des Aufbaus und minimieren
Vibrationen während der Nachbearbeitung.
Der Einsatz der additiven Technologien hat viele Vorteile: Konkret
erhöht sich die Designfreiheit der komplexen Geometrien, wie sie in der
Luftfahrt eingesetzt werden. Gleichzeitig wird weniger Material
verbraucht, was die Umwelt schont und Kosten reduziert. Darüber hinaus
ermöglicht der Einsatz additiver Verfahren die wirtschaftliche
Entwicklung und Fertigung auch kleinerer, komplexerer Kerntriebwerke mit
verminderter Schadstoff- und Lärmemission.