Innovation: Durchgängige Prozessketten für Turbinenkomponenten

Turbomaschinen sind das Herz von Flugzeugen und Kraftwerken. Maßgeblichen Einfluss auf ihre Effizienz hat vor allem die Gestaltung der Turbinenschaufeln und die Integration von Verdichter-BLISKs (Blade Integrated Disks). Bedingt durch die technisch hohen Standards sind Fertigung und Instandhaltung der verschiedenen Komponenten sehr zeit- und kostenintensiv.

Gemeinsam gelang es dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT im Aachener Innovationscluster „TurPro“, neue Bearbeitungskonzepte aufzuzeigen und die Wirtschaftlichkeit der eingesetzten Technologien zu steigern.

Für insgesamt drei konkrete Anwendungen entwickelte das Projektteam als Innovation durchgängige Prozessketten zur Reparatur und generativen Fertigung von Turbomaschinenkomponenten.

Generative und abtragende Technologien

Erstmals dem Fraunhofer IPT als Innovation ein Tauchfräsverfahren. Die spezifische Werkzeugführung reduziert die Werkzeugbelastung und ermöglicht es so, das Material schneller zu zerspanen. Im Vergleich zu konventionellen Tauchfräsverfahren sind die Werkzeuge bei gleicher Produktqualität bis zu 85 Prozent länger nutzbar.

In weiteren Teilprojekten gelang es am Fraunhofer ILT, verschiedene Werkstoffe für das Laserauftragschweißen zu qualifizieren. So ist das Verfahren zukünftig auch für die Reparatur und die generative Fertigung hochbelasteter Komponenten wie Schaufeln, Wellen und Gehäuse einsetzbar, die entsprechenden Qualitätsansprüchen genügen müssen.

Durchgängigkeit in den Prozessketten

Um die jeweiligen Fertigungstechnologien zu durchgängigen Prozessketten zu verknüpfen, hat das Fraunhofer IPT auf der Basis seiner flexiblen Softwareplattform „CAx-Framework“ spezielle CAM-Module und Simulationsapplikationen entwickelt, mit denen sämtliche Produktionsdaten entlang der gesamten Prozesskette generieren und verwalten zu können. Die entsprechenden CAx-Lösungen ermöglichen eine benutzerfreundliche Prozessauslegung und -verifikation in einer einheitlichen Softwareumgebung.

Das einheitliche Datenmanagement vereinfachte die Integration hochauflösender 3D-Lasermesstechnik in die Prozesskette, um zwischen den Prozessschritten die tatsächlichen Geometriedaten der Werkstücke zu erfassen. Die Bearbeitung kann hierdurch an die individuellen Aufmaße angepasst werden. Insbesondere bei der Kombination von generativen und abtragenden Verfahren ist es möglich, die Bearbeitungszeiten auf ein Minimum zu beschränken.

Greifbare Innovationen für die Industrie

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 hergestellt. Auch dabei kombinierte das Forscherteam generative Laserverfahren mit abtragenden Zerspanungstechnologien. Als besonderes Highlight konnte eine solche Mikrograsturbine beim abschließenden Projekttreffen des Konsortiums im Juni ihre Leistungsfähigkeit vor Ort unter Beweis stellen.

Schlüssel zu richtungsweisenden Innovationen

Für das Industriekonsortium liefern die Ergebnisse aus dem Projekt einen klaren Vorsprung gegenüber dem Wettbewerb. Zum Projektabschluss waren sich alle Beteiligten einig: Gemeinsam erarbeitete das Konsortium anwendungsnahe technologische Fortschritte, die unmittelbar umsetzbar sind, so wünscht man sich Innovationen.

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 ein Gesamtvolumen von 10 Millionen Euro.

AdaM – Innovationen für Energie und Mobilität

Jetzt planen die beiden Fraunhofer-Institute in Aachen einen neuen Innovationscluster mit dem Thema „Adaptive Produktion für Energie und Mobilität“. Der Forschungsschwerpunkt liegt hier auf einer adaptiven Prozesskette, die schwankende Eingangs- und Störgrößen kompensieren kann.

Bundesweit gibt es inzwischen 18 Innovationscluster der Fraunhofer-Gesellschaft, die mit der Vernetzung gezielt Technologiefelder mit hohem Innovationspotenzial fördern möchte. Als gemeinsame Aufgabe sehen es die Partner, mit neuen Technologien die Märkte der Zukunft zu erschließen und die regionale Wirtschaft im internationalen Wettbewerb zu stärken. (idw / rls)