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Backgrounder
Fertigungsverfahren
MTU-Hochdruckverdichter: Hergestellt mit modernsten Verfahren
Verdichter und Turbinen made by MTU gehören
weltweit zum Besten, was es auf dem Markt gibt.
Auch bei Fertigungsverfahren hat sich das
Unternehmen an die Weltspitze vorgeschoben.
Bei einigen Verfahren ist Deutschlands führender
Triebwerkshersteller weltweit Technologieführer.
Mit dem Laser werden Kühlluftlöcher
trichterförmig in Lauf- und Leitschaufeln der
Hochdruckturbine gebohrt, wodurch sich der
Luftstrom besser auf der Oberfläche des
Bauteils verteilen kann. Das senkt den Bedarf
an Kühlluft und verbessert die Effizienz.
Zu den wichtigsten Hightech-Herstellverfahren
der MTU gehören:
• Laserformbohren
• Adaptives Fräsen
• Präzises Elektrochemisches Abtragen
• Reibschweißen
• Selektives Laserschmelzen
GP7000-Hochdruckturbinenschaufeln
Laserformbohren
Die MTU besitzt für das Laserformbohren das
Weltpatent. Dieses Verfahren kombiniert die
beiden Einzelverfahren Laserbohren und
Laserstrahlabtragen und ist eine Schlüsseltechnologie zur Herstellung hocheffizienter
Turbinen.
Beim GP7000, dem Antrieb des Mega-Airbus
A380, erhöht sich der Wirkungsgrad der
Hochdruckturbine durch das
Laserformbohren beispielsweise um ein
Prozent – Kraftstoffverbrauch und CO2Emissionen sinken dadurch jeweils ebenfalls
um ein Prozent.
Blisk-Herstellung
Blisks (Blade Integrated Disks) sind Hochtechnologie-Bauteile, bei denen Scheibe und Schaufeln integral gefertigt und nicht mehr zusammengesteckt werden. Das verringert das Gewicht.
Zum Einsatz kommen Blisks in Niederdruck- und
Hochdruckverdichtern militärischer und ziviler
Anwendungen. Eine Verwendung in Turbinen wird
diskutiert. Die MTU ist weltweit einer der
führenden Hersteller dieser Blade Integrated
Disks. Bei der Blisk-Herstellung kommen
Reibschweißen, Adaptives Fräsen und Elektrochemisches Abtragen (Precise Electrochemical
Machining = PECM) zum Einsatz.
Die MTU hat auf dem Münchner Werksgelände eine
neue Halle gebaut, in der das BliskKompetenzzentrum untergebracht ist.
4.000 Stück
Anzahl der Blisks, die
die MTU pro Jahr
fertigen wird.
„Elektrochemisches Abtragen ist ein
Standardverfahren und gehört seit langem zu
unserem Fertigungsportfolio. Mit PECM
können wir noch präziser arbeiten und
schaffen es, eine Nickel-Blisk-Schaufel in nur
mehr zwei Arbeitsschritten zu fertigen.“
Richard Maier, Leiter Produktionsentwicklung und
Support bei der MTU Aero Engines in München
Fertigung einer Blisk für den PW1000G-Getriebefan
Große Blisk-Schaufeln aus Titan werden mittels
Linearem Reibschweißen einzeln mit der Scheibe
verbunden und anschließend durch Adaptives
Fräsen angepasst; mittlere und kleine Titan-BliskSchaufeln werden aus dem Vollen gefräst.
Kleine und mittlere Blisk-Schaufeln aus Nickel –
und somit aus einem schwer zu bearbeitenden
Werkstoff - können mittels PECM hergestellt
werden. Wie sonst beim Elektrochemischen
Abtragen üblich entfällt hier eine Nachbearbeitung der Oberfläche. Das PECM-Verfahren
haben die Experten der MTU selbst entwickelt.
Das PECM-Grundprinzip:
Ein metallischer Werkstoff wird bei Anwesenheit
eines Elektrolyten mit Hilfe elektrischen Stroms
gezielt aufgelöst. Der zu bearbeitende Werkstoff
wird als positiver Pol geschaltet und das dreidimensionale, metallische Abformwerkzeug als
negativer Pol. Als Elektrolyt kommt eine wässrige
Natriumnitratlösung zum Einsatz, die zwischen
Anode und Kathode fließt. Diese Flüssigkeit hat
drei Funktionen: Sie stellt eine elektrisch leitende
Verbindung her, sorgt für den Abtransport des
abgetragenen Materials sowie entstehenden
Wasserstoffs und kühlt den Prozess. Die Vorteile
von PECM gegenüber zerspanenden Verfahren:
Das Bauteil wird nicht berührt, weshalb die Werkzeuge verfahrensbedingt nicht verschleißen.
Zudem erzielt das PECM-Verfahren wesentlich
höhere Abbildungsgenauigkeiten durch die
Bearbeitung mit extrem kleinen Spalten im
Mikrometerbereich.
Tandem-Blisks sowie Verdichtertrommeln –
mehrere hintereinander geschaltete
Verdichterstufen – entstehen durch
Rotationsreibschweißen. Eine der größten
und präzisesten Anlage weltweit steht bei der
MTU in München. Entwickelt wurde die rund
20 Meter lange Anlage mit einem Doppelspindelkonzept, um eine größere Bandbreite
an Bauteilen mit höchster Genauigkeit
verschweißen zu können. Hergestellt werden
Verdichtertrommeln bei einem Druck von
1.000 Tonnen.
Reibschweißanlage der MTU in München
Das Reibschweißverfahren ist für die MTU eine
Schlüsseltechnologie zur Fertigung von Rotoren
der nächsten Triebwerksgeneration, die aus
höher belastbarem Material bestehen und
wesentlich größer sind als herkömmliche Teile.
Hergestellt werden können kompaktere und
hochintegrale Verdichterrotoren aus Titan- und
Nickelbasiswerkstoffen, die weniger wiegen und
damit zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
des Triebwerks beitragen. Ebenfalls im Portfolio
hat die MTU das Induktive HochfrequenzPressschweißen, das mittlere Titanschaufeln
mit den Scheiben verbindet.
Selektives Laserschmelzen
Selektives Laserschmelzen erobert eine
Wirtschaftsbranche nach der anderen. Im
Triebwerksbau ist der MTU ein Durchbruch
gelungen: Als eines der ersten Unternehmen
stellt sie Serienbauteile her. Per selektivem
Laserschmelzverfahren (Selective Laser
Melting = SLM) entstehen in München
Boroskopaugen für das A320neo-Triebwerk,
das PW1100G-JM von Pratt & Whitney. Diese
Bauteile sind Teil des Turbinengehäuses und
werden benötigt, um die Beschaufelung von
Zeit zu Zeit mit einem Boroskop auf
mögliche Abnutzungen hin zu überprüfen.
Additive Fertigung eines Leitschaufelclusters
„In Technologieprojekten und Technologieprogrammen entwickeln wir das additive
Verfahren mit hoher Priorität weiter.“
Richard Maier, Leiter Produktionsentwicklung und
Support bei der MTU Aero Engines in München
Boroskopauge, das mittels selektiven
Laserschmelzen hergestellt wurde.
Beim SLM wird das 3D-Modell des zu
fertigenden Teils am Rechner in einzelne
Schichten zerlegt. Nach diesem Bauplan baut
ein Laser die Schichten auf einer Bauplattform
nach und nach aus einem pulverförmigen
Ausgangsmaterial auf. Die Pulverpartikel
werden lokal aufgeschmolzen und so
miteinander verbunden.
Die Vorteile: Mit additiven Verfahren können
komplexe Bauteile, die herkömmlich nicht
oder nur sehr aufwendig gefertigt werden, mit
geringerem Material- und Werkzeugeinsatz
hergestellt werden. Die Realisierung neuer
Designs wird möglich, Entwicklungs-,
Fertigungs- und Lieferzeiten verkürzen sich
deutlich und die Herstellkosten sinken. „Das
additive Verfahren eignet sich vor allem für
schwer zerspanbare Werkstoffe, etwa
Nickellegierungen“, konstatiert Maier. Dank
seiner Flexibilität empfiehlt sich das Verfahren
insbesondere für die Fertigung von Kleinserien
oder individuell aufgebauten Bauteilen.
Es geht um neue Designs, neue Bauteile –
denkbar sind Schaufeln für Verdichter und
Turbinen sowie Gehäuse – und neue Werkstoffe.
Im Rahmen des größten europäischen
Technologieprogramms Clean Sky arbeitet die
MTU derzeit an einem additiv gefertigten
Dichtungsträger: Der Innenring mit integralen
Honigwaben soll im Hochdruckverdichter
verbaut und zu einer Gewichtsreduzierung,
einem Hauptziel in der Luftfahrt, beitragen.
Die additive Fertigung der MTU in München
Kontakt: Martina Vollmuth, [email protected], +49 (0) 176 100 17133