Schweißen per LasertechnikSchadhafte Blades werden durch adaptives CNC-geführtes Laserschweißen aufgearbeitet. | Fertnig
Technik3-D-Lasertechnik

Auf der Suche nach dem optimalen Dreh

Lesezeit ca.: 6 Minuten
Hans-Jörg Munke

Hans-Jörg Munke

freier Journalist

Lufthansa Technik hat gemeinsam mit Partnern im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojekts „Laser CWR-Panzerung“ ein neues Verfahren zur Lebensverlängerung von 3-D-Triebwerksschaufeln (Blades) entwickelt. Dabei werden die schadhaften Blades durch adaptives CNC-geführtes Laserschweißen aufgearbeitet. Mit Hilfe des neuen Verfahrens lassen sich die teuren Verdichterschaufeln nicht nur genauer, sondern auch häufiger reparieren. Ein weiterer Vorteil ist die Reduzierung des Kerosin-Verbrauchs.

11. Mai 2016

„Mit drei Achsen kommt man gut klar. Abläufe lassen sich vergleichsweise einfach in eine CNC-Steuerung (CNC = Computerized Numerical Control) einprogrammieren. Lässt sich neben dem Werkzeug auch noch der Arbeitstisch mit dem Werkstück in alle Raumrichtungen drehen, sprengt die Suche nach der optimalen Arbeitsposition die Vorstellungskraft, zumal es nicht nur eine Lösung gibt“, beschreibt Stefan Czerner von Lufthansa Technik in Hamburg eine der zentralen Herausforderungen seiner Forschungsarbeit der letzten Jahre. Czerner und sein Team entwickeln ein automatisiertes Reparaturverfahren für Triebwerksschaufeln.


Schwierig zu reparieren


Etwa 300 davon stecken in jedem modernen Flugzeugmotor. Je nach Einsatzort sorgen Sand, Asche, Wasser und andere Bestandteile der angesaugten Triebwerksluft für Verschmutzung und Erosion der Triebwerksbauteile. Abnutzung, Beschädigungen oder Anhaftungen verschlechtern die gesamte Triebwerksperformance. So nutzen sich während des Betriebs etwa die sogenannten Eintrittskanten ab, die Sehnenlängen der Schaufeln verkürzen sich und der Spalt zwischen den Endkanten der Schaufeln und dem Gehäuse wird größer. Zwar wird die Luft dank der speziellen, zunehmend dreidimensionalen Geometrie zeitgemäßer Hochdruckverdichterschaufeln einerseits besser verdichtet als mit herkömmlichen zweidimensionalen Blades, andererseits sorgt die komplexe Form dafür, dass Reparaturen besonders schwierig zu bewerkstelligen sind.


Dieses Problem betrifft zahlreiche weitverbreitete Motormuster – wie etwa den Triebwerkstyp CFM 56-5B/P, der unter anderem in den Flugzeugtypen Airbus A319, A320 und A321 verwendet wird – und stellte somit eine große Herausforderung für die Innovationsprofis der Lufthansa Technik dar. Gemeinsam mit den Partnern Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Dreistegen, ANSYS Germany, WM-Maschinentechnik und dem Luftfahrtcluster Hamburg konzipierten die Entwickler ein neues Reparaturverfahren, um die Wartungskosten zu senken, die Motoreffizienz langfristig zu erhöhen und damit Treibstoffverbrauch und CO2-Ausstoß zu verringern.


Laserschweißtechnik als zentrales Element


Zentrales Element ist dabei die Laserschweißtechnik. „Wir nutzen einen 2-Kilowatt-Laser mit einer 200-Mikrometer-Laserfaser, um die Laserenergie zum Arbeitsort zu bringen. Dort wird der Strahl über zwei Spiegel gelenkt und mit einer Linse fokussiert. So entsteht eine ausreichende Energiedichte, um schweißen zu können“, erklärt Czerner. Die benötigte Schweißtemperatur entstehe abhängig von Material und Dauer der Bestrahlung, so der Entwicklungsingenieur weiter. „Wir arbeiten mit Festkörpern, die wir in eine schmelzflüssige Phase bringen müssen, um Material aufzutragen oder miteinander zu verbinden. Alles, was verdampft, ist für den Prozess verloren.“


Um verlorenes Material auf den Triebwerksschaufeln zu ergänzen, wird aus einer Düse Metallpulver gefördert. „Das Pulver trifft den Laserstrahl auf der Werkstoffoberfläche und schmilzt. Daraus wird das fehlende Material aufgebaut“, so Czerner. Ein Monitor sorgt dafür, dass man den Schweißprozess genau nachvollziehen kann. Auf ihm findet sich eine Skalierung in Millimeter-Schritten. Ein Riesenvorteil des Laserschweißens gegenüber allen anderen Schweißtechniken, findet Czerner, denn hier könne der Bediener genau sehen, was passiere, und den Schweißprozess auf Haaresbreite exakt positionieren.


Computer berechnet den optimalen Ablauf


Dabei ist Handarbeit mittlerweile nur noch selten gefragt. Die Schweißprozesse laufen vollautomatisch. Den optimalen Ablauf berechnet der Computer aufgrund verschiedener Parameter. „In Bezug auf die Schmelze würde man so langsam wie möglich arbeiten, um der Flüssigkeit Zeit zu geben, dahin zu kommen, wo sie hin soll. Unter Gesichtspunkten der Wirtschaftlichkeit sollte es jedoch so schnell wie möglich gehen, ohne viel Energie- und Schutzgasverbrauch“, beschreibt Stefan Czerner die Schwierigkeiten, die dabei auftreten. Man entwickle immer neue Rezepte, abhängig von den Erfordernissen.


Geschweißt wird an der gesamten Breite der Schaufel, überall dort, wo Material abgetragen wurde. Das neue Material sei artgleich mit dem Grundwerkstoff und verbinde sich auf atomarer Ebene. So entstehe ein stoffschlüssiger Verbund, der später nicht abplatzen oder sich lösen kann. Besonderes Augenmerk legten die Entwickler auch auf die sogenannten Austrittskannten. Je spitzer sie sind (0,14 mm), desto weniger Verwirbelungen habe man im hinteren Bereich der Schaufel. „Darauf Material zielgenau aufzutragen und dabei den speziellen Geometrieverläufen zu folgen, ist eine Herausforderung“, so Czerner.


Enormer Wettbewerbsdruck


Obwohl jedes Bauteil anderen Belastungen ausgesetzt war und damit andere Erosionsschäden davongetragen hat, benötigen Czerner und sein Team mittlerweile nur noch wenige Minuten, um die Anlage einzurichten. Doch die Optimierung geht ständig weiter. „Eine Schaufel kostet zwar 400 Euro. Trotzdem darf die Reparatur kaum etwas kosten, denn wir haben einen enormen Wettbewerbsdruck“, bringt es der Entwicklungsingenieur auf den Punkt. „Unsere Kosten müssen mit denen in Asien konkurrieren, wo solche Arbeiten im Wesentlichen per Hand durchgeführt werden.“


Zum Erfolg der neuen Reparaturverfahren tragen auch die Projektpartner bei. Das Helmholtz-Zentrum Geesthacht etwa erarbeitete passgenaue Methoden zur Materialprüfung, die reale Bedingungen im Flugzeug simulieren. Diese umfangreichen Dauerschwingproben ermöglichen es, Werkstoffeigenschaften zu ermitteln, wie sie im Motor bei Einsatztemperaturen zwischen 350 und 650 Grad Celsius vorkommen. Von der Dreistegen GmbH wurden Dünnschichten zum Erosionsschutz mit wenigen Nanometern Dicke entwickelt. Sie werden nach der Reparatur aufgebracht und verzögern die erneute Erosion.


Informationen über die Bauteilbelastung


Einen entscheidenden Beitrag lieferte das Unternehmen ANSYS, denn die Triebwerkshersteller (OEM) liefern nur unzureichend Detaildaten zu Belastungssituationen innerhalb der Flugzeugmotoren. „Die OEMs verkaufen natürlich lieber Neuteile“, so Stefan Czerner. An der Entwicklung von Reparaturverfahren gebe es wenig Interesse. So haben die Projektpartner den kompletten Hochdruckprozessor aerodynamisch nachgerechnet. „Das war der einzige Weg, um die Bauteilbelastung zu erfassen, denn wir brauchten Informationen darüber, was die Bauteile aushalten können müssen.“ Dank der aufgebauten Simulationsfähigkeit habe man auch den Einfluss dieser Abnutzung auf den Kerosin-Verbrauch bestimmen können. „Bei dem Motor einer Boeing 747 liegt der primäre Effekt bei 0,5 Prozent. Damit sprechen wir von 40.000 Euro pro Motor und Jahr. Bei vier Motoren pro Flugzeug kommt da schon einiges zusammen.“


Um neue Reparaturverfahren in der Praxis einsetzen zu können, müssen zahlreiche luftfahrtrechtliche Hürden genommen und Nachweise erbracht werden. Auch dafür ist Stefan Czerner als Designingenieur mitverantwortlich: „Nachdem der Prozess aufgesetzt ist, wird er noch mal komplett nach allen bekannten Fehlergrößen durchleuchtet. Auch die Bauteileigenschaften nach der Reparatur werden geprüft. Der Aufwand ist noch mal so groß wie die eigentliche Entwicklung, um sicherzustellen, dass tausende Schaufeln von hunderten Motoren auch wirklich perfekt sind. Würde man feststellen, dass reparierte Bauteile einen Fehler haben, müsste man alle Motoren sofort stilllegen. Zudem sind wir verantwortlich für Leib und Leben der Insassen. Wir müssen also alle Risiken im Produktionsprozess ausschließen.“

Weitere Informationen:
Längeres Leben durch Laserschweißen