Mobilität

Selektives Laserschmelzen bei der Herstellung von Flugzeugtriebwerken

Die Luft- und Raumfahrtindustrie, Automobilhersteller und Zulieferer nutzen additive Fertigung. Boeing setzt zum Beispiel im 787 Dreamliner für eine Reihe nicht-kritischer Bauteile Laser-Sinter-Komponenten ein. Additive Techniken ermöglichen es Unternehmen zudem, Ersatzteile für Flugzeuge zu produzieren.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen haben im EU-Projekt FANTASIA gezeigt, dass sich sogar kompliziert geformte Komponenten von Flugzeugtriebwerken kostengünstig mit selektivem Laserschmelzen (SLM) fertigen lassen. Mit SLM und weiteren lasergestützten additiven Verfahren verkürzen sich die Durchlaufzeiten für die Instandsetzung um 40 Prozent und mehr. Bis zu 50 Prozent des notwendigen Materials und mindestens 40 Prozent der Reparaturkosten können zukünftig eingespart werden.

»Mit additiven Verfahren gelingt es nicht nur, beschädigte Triebwerksteile perfekt zu reparieren, sondern auch komplette Komponenten zu fertigen, die man mit konventionellen Methoden wie Fräsen oder Gießen prinzipiell nicht herstellen kann«, sagt Dr. Konrad Wissenbach vom Fraunhofer ILT. »Damit werden auch Geometrien und Designs möglich, von denen man bisher nicht zu träumen wagte.«

Noch ist das SLM-Verfahren allerdings nicht für jeden Turbinenwerkstoff geeignet. Bisher arbeiten die Forscher mit Inconel 718, einer Nickelbasis-Superlegierung sowie mit Titanlegierungen.
 

Bauteile aus Metall

Die Fraunhofer-Forscher aus Aachen erschließen auch weitere Materialien für das Additive Manufacturing: Dass sich Aluminium als Werkstoff für additive Verfahren eignet, haben die Wissenschaftler des Fraunhofer ILT am Beispiel eines Ventils aus AlSi10Mg gezeigt.

In Kooperation mit einem Industriepartner wiesen die Ingenieure nach, dass sich der Herstellungsprozess für sechs serienidentische Funktionsprototypen von 120 Arbeitstagen für den Druckguss auf sieben Arbeitstage mit dem SLM-Verfahren reduzieren lässt. Die additiv gefertigten Ventile verfügen dabei mindestens über die gleichen mechanischen Eigenschaften wie konventionell gefertigte Bauteile. Bei einzelnen Eigenschaften übertreffen sie diese sogar. Ziel bei der Qualifizierung eines Werkstoffs für das SLM ist eine Bauteildichte von etwa 100 Prozent ohne Risse oder Bindefehler.

Aluminium-Legierungen werden unter anderem in der Automobilindustrie, im Maschinenbau oder in der Flugzeugindustrie genutzt. Bisher werden beim selektiven Laserschmelzen vor allem handelsübliche Pulverwerkstoffe wie Edelstahl, Werkzeugstahl, Titan-, Aluminium-, Kobalt- und Nickel-Legierungen eingesetzt. Die Verarbeitung von Kupfer- und Kupferlegierungen ist schwer, da der Werkstoff Wärme gut leitet.

Die Forscher des Fraunhofer ILT haben deshalb ein Lasersystem mit 1000 Watt Leistung in eine bestehende SLM-Anlage integriert. So gelingt es erstmals, Bauteile aus verschiedenen Kupferlegierungen mit einer Dichte von 99,9 Prozent additiv zu fertigen. Außerdem arbeiten die Forscher daran, auch keramische Werkstoffe einzusetzen.

Eine Weiterentwicklung des Verfahrens am Fraunhofer ILT ermöglicht auch die Herstellung von Objekten aus hochfester Zirkonoxid (ZrO₂)-/-Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Keramik.

Metallpulverspritzguss und Laserstrahlschmelzen zur Herstellung von Flugzeugturbinen

Dr. Ingomar Kelbassa, ehemaliger Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT, gewann 2011 den 2. Platz des Ferchau-Innovationspreises unter dem Motto »Das GUTE sparen – Energie, Material, Rohstoffe« für eine effizientere Methode Flugzeugturbinen herzustellen.

Um das Flugzeug auf der Rollbahn zu beschleunigen, saugen Turbinen Luft an, Schaufelräder verdichten sie. Früher wurden solche Schaufelräder hergestellt, indem die einzelnen Schaufeln an die Turbinenscheiben angehängt wurden.

Heute fertigt man diese Bauteile aus einem Stück – ähnlich wie ein Steinmetz, der Skulpturen aus einem Stein herausarbeitet: Aus einem großen Block Material wird das gewünschte Bauteil herausgefräst. Ein Großteil des teuren Materials geht dabei jedoch verloren, zurück bleiben ein Haufen Späne – je nach Bauteil 80 bis 90 Prozent des Materials.

Dr. Ingomar Kelbassa, ehemaliger Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen, hat mit seinem Team eine weitaus effizientere Methode entwickelt, um Flugzeugturbinen herzustellen. »Wir tragen das Material nicht ab, sondern bringen es auf«, verrät Kelbassa. Ausgangsbasis ist die Turbinenscheibe – an ihr lassen die Wissenschaftler die zahlreichen Schaufeln, eine nach der anderen, aufwachsen. Über eine Pulverdüse bringen die Forscher das Material auf die Scheibe. Ein Laserstrahl schmilzt es auf einer Fläche von einigen Quadratmillimetern kurzzeitig auf. Wandert der Laserstrahl weiter, erstarrt das Material. Schicht für Schicht bauen die Wissenschaftler so die Schaufel auf.

Das Verfahren an sich gibt es schon länger – allerdings hat Kelbassa zwei Änderungen entwickelt: »Wir konnten die Auftragsraten deutlich steigern, das Verfahren ist 15 mal so schnell wie der Standard vor zwei oder drei Jahren. Zum anderen lassen sich jetzt auch unterschiedliche Materialdicken auf einfache Weise herstellen. Das ist bei den Turbinenschaufeln wichtig, denn während sie in der Mitte der Schaufel zwei Millimeter dick sind, verjüngen sie sich zur Ein- und Ausströmkante hin auf weniger als einen.«

Unterschiedliche Dicken herzustellen, war bisher nur über Umwege möglich: Man brauchte mehrere Spuren. Der Laserstrahl wurde so fokussiert, dass er die dünnste Stelle bearbeiten kann. Sollte das Material in breiteren Schichten aufgetragen werden, musste der Laserstrahl mehrmals nebeneinander Material aufschmelzen. »Wir können den Laserstrahl lokal anpassen, ihn also weiter oder enger fokussieren – eine Art Zoomfunktion«, erklärt der Preisträger.

Das Kompetenzfeld Additive Fertigung ist kompetenter Partner für anwendungsorientierte Forschung im Automobil- und Maschinenbau. Die Technologie des Laserstrahlschmelzens bietet die Möglichkeit der direkten Fertigung (Rapid Manufacturing) von Komponenten und Werkzeugen (Rapid Tooling) für den Automobilbau und den Motorsport.

Das Laserstrahlschmelzens erlaubt zudem eine schnelle Fertigung anspruchsvoller, hochkomplexer, filigraner Komponenten und Systeme ohne Werkzeuge, die die Grenzen konventioneller Fertigungstechnologien sprengt.

Das Leistungsspektrum umfasst unter anderem die Fertigung von Prototypen aus metallischen Werkstoffen mit Serieneigenschaften, die Entwicklung, Konstruktion und Fertigung von Leichtbaukomponenten mit Gitter- oder bionischen Strukturen sowie die additive Fertigung von Komponenten und Werkzeugen für den Serieneinsatz.

Intelligenter Heckflügel

Das Fraunhofer IFF hat gemeinsam mit dem Team Rosberg Engineering einen intelligenten Heckflügel für ein Rennfahrzeug der Deutschen Tourenwagen-Meisterschaft entwickelt.

Die vorliegende Lösung nutzt die speziellen Eigenschaften additiver Fertigungstechnologien und heutiger Sensormaterialien: Additive Verfahren wie das Selektive Lasersintern sind in der Lage, die durch einen hohen Anteil an Freiformflächen geprägten Flügelgeometrien maßgenau herzustellen. Die sensorischen Komponenten können Veränderungen von Umgebungsbedingungen wie die Druck- und Temperaturverteilung oder auftretende Schwingungen und Verformungen erfassen, auswerten und nachfolgend aktiv regeln.

Schichtaufbau-Verfahren ermöglichen dabei eine schnelle und flexible Fertigung der hochkomplexen aerodynamischen Komponenten, sodass sich die Erkenntnisse aus den Versuchen in der geometrischen Gestaltung der Flügel jeweils innerhalb kürzester Zeit umsetzen lassen.