Expertengespräch

Luft- und Raumfahrt: Bliskbearbeitung

Quantensprung geschafft

10.03.2009

Quantensprung geschafft

Mit dem trochoiden Taumelfräsen hat MTU Aero Engines ein neues Kapitel bei der Bearbeitung von Ni- und Ti-basierten Legierungen für Verdichterschaufeln aufgeschlagen. fertigung lud einige Akteure der an der Umsetzung beteiligten Industrie- und Forschungspartner zum Gespräch. Ein Fazit vorneweg: Das höchst innovative Verfahren brachte tradierte Denkweisen genauso ins Wanken wie es die Bearbeitung radikal beschleunigte.

Die Aussichten sind gut: Der Bedarf an Blisks im Luftfahrtbereich soll sich bis zum Jahr 2020 ungefähr verdoppeln. Im Gegensatz zu konventionellen, gesteckten Schaufel-Rotorverbindungen haben die Blisks – das Kunstwort setzt sich aus Blade (Schaufel) und Disk (Scheibe) zusammen – den Vorteil, dass sie aufgrund der steiferen und dichteren Schaufel-Rotor-Verbindung eine deutlich höhere Verdichtungsleistung bei weniger Gewicht erzielen. Der Nachteil: Sie sind sehr komplex und kostenintensiv herzustellen, inklusive hohem Ausschussrisiko.

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Als beim Triebwerkshersteller MTU Aero Engines in München der Serienanlauf für das EJ200-Triebwerk des Eurofighters anstand, musste man die etablierten Fertigungsverfahren in Frage stellen. Vor allem die Schruppbearbeitung der Blisks stellte die Zerspanung vor neue Herausforderungen. „Mit den üblichen Technologien”, erinnert sich Götz Lebküchner, „war eine wirtschaftliche Bearbeitung nicht möglich”.

Der Triebwerks- und Fräsprofi Lebküchner sah sich nach Alternativen um und erinnerte sich an das trochoide Taumelfräsen, das er von der Hartbearbeitung kannte: „Wir haben diese Bearbeitungsstrategie mit den technologischen Zerspandaten für Titan durchgerechnet und sind auf ein beträchtliches Ratiopotential gestoßen.” Das trochoide Fräsen bietet nämlich im Vergleich zum konventionellen Schlitzfräsen deutliche Vorteile: Durch den geringen Umschlingungswinkel (maximal 70°) wird das Werkzeug geschont und die Schnittgeschwindigkeit sowie die Vorschübe lassen sich signifikant erhöhen; teilweise um das Drei- bis Vierfache.

blisk-2Damit aber nicht genug. Denn eine Prämisse für die wirtschaftliche Umsetzung des Verfahrens lautete: Eine neue Strategie verdient dann ihr Geld, wenn man sehr hohe axiale Schnitttiefen realisieren kann. Auch und gerade bei schlanken und lang auskragenden Werkzeugen, die für die Bearbeitung der gekrümmten Störmungsflächen der Blisks notwendig sind. Realisiert sind mittlerweile Zustellungen in der Tiefe von 2 x D bei Auskraglängen von bis zu 7 x D. Die durchschnittlichen Werkzeugdurchmesser liegen dabei im Bereich von 8 bis 12 mm. Dazu ein Vergleich: Beim Schlitzfräsen kann mit einer axialen Schnitttiefe von maximal 0,5 x D gefahren werden. Liegt die Zustellung darüber, bilden sich Rattermarken ab, die den nachfolgenden Schlichtprozess deutlich verlangsamen.

Was im Ergebnis so eindrucksvoll klingt, war in der Umsetzung durchaus herausfordernd. Nicht umsonst dauerte es rund vier Jahre, bevor Götz Lebküchner grünes Licht für die Serienzulassung des trochoiden Taumelfräsens geben konnte. „Gefordert war der ganzheitliche Ansatz mit Blick auf alle beeinflussenden Randbedingungen”, erklärt Steffen Gerloff, Gruppenleiter Spanende Verfahren bei MTU Aero Engines, die lange Testphase.
Nach dem Startschuss im Jahr 2001 wurde eine Arbeitsgruppe etabliert, bestehend aus zehn Forschungs- und Industriepartnern, die sich intensiv mit dem Thema beschäftigte. Für Steffen Gerloff war diese Zusammenarbeit der Schlüssel zum Erfolg: „Im partnerschaftlichen Dialog haben wir auch die Konsequenzen der Umsetzung diskutiert. Es macht keinen Sinn, ein Verfahren zu etablieren, das für eine oder beide Seiten unwirtschaftlich ist.”

Diese Arbeitsgruppe wurde von einem starken Team im Haus ergänzt: Andreas Baus (Zerspanungstechnik), Arndt Gläßer (Softwareentwicklung), Stefan Heinrich (Programmierung) und Götz Lebküchner (Zerspanungstechnik) haben sich die Industrialisierung des trochoiden Taumelfräsens auf die Fahne geschrieben. Das Team der MTU Aero Engines verbrachte Tage und Wochen zusammen mit einer Gruppe von Wissenschaftler am WZL-Aachen und dem Fraunhofer-Institut IPT, Aachen. Die gemeinsame Analyse der Messdaten war die Grundlage für die iterative Entwicklung der Programmiersoftware „ProMill”.

Nachdem Mitsubishi Hartmetall, Extramet AG und Klenk als Hartmetall- und Werkzeughersteller in das Projekt einbezogen wurden, konnten auch beim Werkzeug Fortschritte erzielt werden. Der Evaluierungsprozess war für die Beteiligten kein Zuckerschlecken. Tradierte Denkweisen wurden nicht nur einmal infrage gestellt, wie das Beispiel der Kantenpräparation zeigt: Denn plötzlich war nicht mehr von scharfkantigen Werkzeugen die Rede, die eigentlich laut Lehrmeinung für die Ti- und Ni-Bearbeitung notwendig sind, sondern es machte das Wort der Schneidkantenpräparation die Runde.
Mit dem Schleppschleifverfahren von Walther Trowal wurde mit Rolf-Jürgen Picard und den Werkzeugherstellern in einer weiteren Arbeitsgruppe am WZL-Aachen die Technologie zur Werkzeugpräparation entwickelt.

Für Petra Reinhold von MMC sorgte die Vorgehensweise für gewisse Aufregung: „Die Anforderung war damals so neu, dass man teilweise dachte, die machen unsere Werkzeuge bewusst kaputt.” Trotzdem ging man den Weg mit und wurde mit überraschenden Erkenntnissen belohnt: „Wenn man die Schneidkante definiert verrundet, wird die Stabilität deutlich verbessert.”

Definiert heißt, je nach Anforderung, 10 bis 30 µm. Durch diese Verrundung wird der Anfangverschleiß des Werkzeugs minimiert. „Bei scharfkantigen Werkzeugen führt gerade diese erste verschleißintensive Anlaufphase oft zu Kantenausbrüchen oder sogar Bruch”, fasst Reiner Schwäblein von der GFE die Ergebnisse der Versuchsreihen zusammen.

Kampf dem Spänestau

Neuland betrat man auch mit der Ausgestaltung der innenliegenden Kühlkanäle für die Werkzeuge. Bei der extrem schnellen trochoiden Fräsbearbeitung, mit Zeitspanvolumen von 18 cm3/min bei einem 10-er Fräser und teilweise engen Schaufelabständen, mussten die Späne mehr oder weniger mit der Kühlflüssigkeit aus dem Fräskanal herausgeschossen werden. Ein Spänestau wäre sonst vorprogrammiert gewesen. „Wir haben festgestellt”, sagt Steffen Gerloff, „dass die Kühlkanäle während des Sinterprozesses eingebracht werden müssen. Ein nachträgliches Erodieren schädigt das Hartmetall.”

Ebenfalls spannend verlief die Suche nach der richtigen Werkzeugaufnahme. Der beim Taumeln permanent auftretende Wechsel zwischen Nullwert und maximaler Krafteinleitung führt beim Spannmittel zur Grenzbelastung. Gängige Schnittstellen wie Schrumpf-, Hydrodehnspann- oder Polygon-Futter konnten überraschenderweise nicht punkten. Abhilfe brachte das „powRgrip”-Spannsystem von Rego-Fix. „Das System kann aufgrund der sehr stabilen Spannsituation über den gesamten Bereich des Schaftes mit einer gleichmäßigen Kraftverteilung aufwarten”, begründeten die Spezialisten die Wahl für das Produkt aus der Schweiz. Martin Brönnimann von Rego-Fix ergänzt: „Auch die Krafteinleitung geschieht sanfter. Wir haben nicht die starren Übergänge an den Kanten wie bei anderen Spannsystemen.”
Trotzdem wurde noch optimiert: Eine zusätzlich installierte axiale Auszugssicherung verhindert nun endgültig ein mögliches Herausziehen des Werkzeugsin Z-Richtung.

Auch der Werkzeugschaft geriet ins Visier der Arbeitsgruppe. Am Ende stand die Forderung nach einer genau definierten Oberflächenrauheit des Schaftes. Wobei Rauheit nicht gleich Rauheit ist, wie Götz Lebküchner betont: „Für uns ist die Betrachtung des rp-Wertes entscheidend.”
Seit Anfang 2005 wird das trochoide Fräsen bei MTU Aero Engines in der Serie eingesetzt. Inzwischen ist ein hoher Standardisierungsgrad erreicht. „Das Verfahren ist für jede Bliskform einsetzbar”, sagt Steffen Gerloff. Optimiert wird jetzt im Bereich der Werkzeugmaschinen. „Wenn morgen die dynamische Maschine kommt, dann können wir die Grenzen noch weiter nach oben setzen”, ist sich Götz Lebküchner sicher.

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