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Durchgängige Prozessketten für Turbinenkomponenten

Einfluss auf die Effizienz von Turbomaschinen für Flugzeuge oder Kraftwerke hat vor allem die Gestaltung der Turbinenschaufeln, erklärt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT. Ebenso die Integration von Verdichter-Blade-Integrated-Disks (BLISKs) sei von Bedeutung. Bedingt durch die technisch hohen Standards seien Fertigung und Instandhaltung der verschiedenen Komponenten zeit- und kostenintensiv. Gemeinsam sei es nun dem Fraunhofer IPT und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT im Aachener Innovationscluster Turpro gelungen, neue Bearbeitungskonzepte aufzuzeigen und die Wirtschaftlichkeit der eingesetzten Technologien zu steigern. Das Projektteam entwickelte für drei konkrete Anwendungen durchgängige Prozessketten zur Reparatur und generativen Fertigung von Turbomaschinenkomponenten.

So habe das Fraunhofer IPT erstmals ein neues Tauchfräsverfahren entwickelt. Die spezifische Werkzeugführung soll die Werkzeugbelastung reduzieren. So soll ermöglicht werden, das Material schneller zu zerspanen. Im Vergleich zu konventionellen Tauchfräsverfahren sind die Werkzeuge bei gleicher Produktqualität bis zu 85 Prozent länger nutzbar, betont das Institut. In weiteren Teilprojekten sei es zudem am Fraunhofer ILT gelungen, verschiedene Werkstoffe für das Laserauftragschweißen zu qualifizieren. So sei das Verfahren zukünftig auch für die Reparatur und die generative Fertigung hochbelasteter Komponenten wie Schaufeln, Wellen und Gehäuse einsetzbar, die entsprechenden Qualitätsansprüchen genügen müssten.

Um die jeweiligen Fertigungstechnologien zu durchgängigen Prozessketten zu verknüpfen, hat das Fraunhofer IPT auf der Basis seiner flexiblen Softwareplattform namens Cax-Framework spezielle Computer-Aided-Manufacturing(CAM)-Module und Simulationsapplikationen entwickelt, mit denen sämtliche Produktionsdaten entlang der gesamten Prozesskette generieren und verwalten zu können, wird erläutert. Die entsprechenden Cax-Lösungen sollen eine benutzerfreundliche Prozessauslegung und -verifikation in einer einheitlichen Softwareumgebung ermöglichen. Das einheitliche Datenmanagement habe die Integration hochauflösender dreidimensionaler (3D) Lasermesstechnik in die Prozesskette vereinfacht, um zwischen den Prozessschritten die tatsächlichen Geometriedaten der Werkstücke zu erfassen. Die Bearbeitung kann hierdurch an die individuellen Aufmaße angepasst werden, erklärt das Institut. Insbesondere bei der Kombination von generativen und abtragenden Verfahren sei es möglich, die Bearbeitungszeiten auf ein Minimum zu beschränken.

Die Entwicklungen im Projekt wurden anhand industrieller Anwendungsfälle demonstriert. Beispielhaft realisierte das Team dazu je eine Prozesskette zur Reparatur von Gasturbinenschaufeln sowie zur generativen Herstellung von Verdichterschaufeln aus Flugzeugtriebwerken. In der letzten Projektphase wurden verschiedene Komponenten für eine Mikrogasturbine (Bild) hergestellt. Auch dabei kombinierte das Forscherteam generative Laserverfahren mit abtragenden Zerspanungstechnologien.

Insgesamt beteiligten sich elf namhafte Industriepartner drei Jahre lang mit den Fraunhofer-Instituten IPT und ILT am ersten nordrhein-westfälischen Innovationscluster "Integrative Produktionstechnik für energieeffiziente Turbomaschinen - Turpro". Zusammen mit den Fördermitteln des Landes Nordrhein-Westfalen und der Fraunhofer-Gesellschaft erreichte das Projekt wie es heißt ein Gesamtvolumen von zehn Millionen Euro.

Nun planen die beiden Fraunhofer-Institute in Aachen einen neuen Innovationscluster mit dem Thema "Adaptive Produktion für Energie und Mobilität" (Adam), verrät das Institut. Der Forschungsschwerpunkt soll auf einer adaptiven Prozesskette, die schwankende Eingangs- und Störgrößen kompensieren kann, liegen.
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