Image: Auf der Suche nach dem optimalen DrehFERCHAUFERCHAUSchadhafte Blades werden durch adaptives CNC-geführtes Laserschweißen aufgearbeitet. | Fertnig
Technik3-D-Lasertechnik

Auf der Suche nach dem opti­malen Dreh

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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