Licht fertigt Serienteile

Die Luft- und Raumfahrtbranche gilt als eine der innovationsstärksten der ganzen Welt. Allein für das Muster A380 hatte Hersteller Airbus über 380 Patente beantragt. Eine wichtige Rolle spielen in dieser Industrie neue und serientaugliche Werkstoffe und Technologien, unter anderem aus Kosten-, Gewichts- und Funktionsgründen. Hersteller und Zulieferer wie der MTU Aero Engines, der als zentralem Zulieferer des US-Triebwerksherstellers Pratt & Whitney dabei eine Schlüsselrolle zukommt, prüfen daher verstärkt das Leistungsvermögen additiver Fertigungsverfahren, bei denen ein Laser aus einem Pulver Schicht für Schicht Werkstücke aushärtet.

Die Methode wurde zuerst im Prototypenbau eingesetzt, da sich damit sehr schnell Einzelteile produzieren ließen. Wegen seiner zahlreichen Vorteile hat es sich inzwischen auch erfolgreich in der Serienproduktion etabliert. Diese reichen von der Designfreiheit bis hin zur Vielfalt der verfügbaren Rohstoffe. Verarbeitet werden können sehr leichte, aber feuerfeste und schwer entflammbare Kunststoffe oder Metalle. Hinzu kommen generell Kostendruck und Sicherheit als starke Triebfedern, sobald sich ein Fluggerät in die Luft erhebt. Es gilt, den richtigen Mittelweg bei der Einführung neuer Technologien zu beschreiten. Triebwerkshersteller MTU Aero Engines hat darum eine strategische Herangehensweise gewählt, um den Einsatz der additiven Fertigung in mehreren Schritten auszubauen.

Auf einen Blick

Vorteile additive Fertigung

• additive Fertigung von Boroskopaugen für die Getriebefans der neuen Triebwerksgeneration PurePower PW1100G-JM des Airbus A320neo:
• hohe Flexibilität: Designfreiheit ist nahezu unbegrenzt
• Entwicklungs-, Herstellungs- und Lieferzeiten werden erheblich verkürzt
• verbesserte Wirtschaftlichkeit: Werkzeuglose Fertigung senkt Entwicklungs- und Herstellungskosten drastisch

Derzeit verwendet das Unternehmen bereits sieben EOS-Maschinen. „Begonnen haben wir vor etwa zehn Jahren mit der Herstellung von Werkzeugen sowie einfachen Entwicklungsbauteilen“, sagt Karl-Heinz Dusel, Leiter Rapid Technologies bei der MTU in München. „Um die Auslastung auf den Systemen zu optimieren und unseren Stufenplan umzusetzen, haben wir nach weiteren Anwendungsfeldern gesucht.“ Der Mix aus Kosten- und Sicherheitsdenken einerseits sowie strategischem Innovationsstreben andererseits – und das jeweils für die Serienfertigung – bildeten den Kern der Herausforderung.

Serienteile aus Metallpulver

Für die neueste Triebwerksgeneration, den so genannten Getriebefan (GTF), kommen bereits Boroskopaugen zum Einsatz, die mit den EOS-Maschinen hergestellt werden: „Mit Beginn der zweiten Phase haben wir angefangen, Rohteile zu

Additiv hergestelltes Boroskopauge der MTU Aero Engines für die schnelllaufende Niederdruckturbine des Getriebefan-Triebwerks PurePower PW1100G-JM.
Bilder: MTU Aero Engines

produzieren, die bestehende Teile ersetzt haben. In diese Etappe fallen auch die Boroskopaugen der Niederdruckturbine des A320neo-GTFs“, ergänzt Dusel. Mit den kleinen Anbauteilen lassen sich die im Triebwerk liegenden Turbinenschaufeln mit Hilfe von Endoskopen auf ihren Zustand und mögliche Abnutzungen hin überprüfen. Die Teile werden auf das Gehäuse genietet und erlauben es, das in der Luftfahrt Boroskop genannte Endoskop einzuführen.

Die verwendete Nickelbasislegierung zeichnet sich durch ihre Hitzebeständigkeit und Langlebigkeit aus. Bei der Verarbeitung konnten hinsichtlich Werkstoffqualität die besten Ergebnisse erzielt werden, nicht zuletzt, weil die Nickellegierung, als schwer zu zerspanender Werkstoff, prädestiniert ist, mittels additiver Fertigung verarbeitet zu werden. Da die MTU auch als Rohmaterialhersteller agiert, hat das Unternehmen mit Einführung der EOS-Technologie eine neue Prozesskette entwickelt, zugelassen und in das Fertigungssystem integriert.

Im Profil

MTU Aero Engines

Das Traditionsunternehmen mit Sitz in München entwickelt, fertigt, vertreibt und betreut mit rund 9000 Mitarbeitern Komponenten für zivile und militärische Luftfahrtantriebe sowie Industriegasturbinen und verantwortet Triebwerksendmontagen und -instandhaltungen.

Der gesamte Herstellungsprozess unterliegt einer strengen, speziell von der MTU entwickelten Prozesskontrolle. Die Onlineüberwachung erfasst jeden einzelnen Produktionsschritt und jede Schicht. Daneben entstanden neue Qualitätssicherungsverfahren, wie etwa die optische Tomographie. Die EOS-Maschinen wurden zudem eigens durch das Luftfahrtbundesamt zertifiziert.

Früher wurden die Boroskopaugen gegossen oder aus dem Vollen gefräst. Die Niederdruckturbine des A320neo-Getriebefans ist die erste Turbine, die serienmäßig mit additiv gefertigten Boroskopaugen ausgerüstet wird. Die Kostenvorteile der EOS-Technologie sowohl bei der Fertigung als auch bei der Entwicklung gaben dabei den Ausschlag.

Die strategische Herangehensweise zahlte sich Dusel zufolge für die MTU aus, ebenso wie die enge Zusammenarbeit mit EOS. Das Hochfahren der Serienfertigung der Boroskopaugen hat bereits begonnen. 16 Teile pro Job sind vorgesehen, in Summe bedeutet das bis zu 2000 Stück pro Jahr. Die Einsparungen im Vergleich zu bisherigen Verfahren sollen später im zweistelligen Prozentbereich liegen. Bereits jetzt ist die Qualität auf einem hohen Niveau. Gemeinsam arbeiten die MTU und EOS daran, die Nachbearbeitung der Bauteile weiter zu optimieren, insbesondere an sehr glatten Oberflächen und der damit verbundenen perfekten Strukturmechanik.

Die Serienfertigung der Boroskopaugen hat bereits begonnen. Pro Job sind 16 Teile vorgesehen, in Summe bedeutet das bis zu 2000 Stück pro Jahr.

Unbegrenzte Designfreiheit

„Die additive Fertigung von Boroskopaugen für die Serie ist für uns ein großer Erfolg. Damit stellt die MTU einmal mehr ihre Innovationsführerschaft unter Beweis, denn wir fertigen mit einem der modernsten Verfahren der Welt Teile für eines der modernsten Triebwerke der Welt, den Getriebefan.“
Karl-Heinz Dusel, Leiter Rapid Technologies bei der MTU in München

Für Dusel liegen die Vorteile auf der Hand: „Die EOS-Technologie zeichnet sich durch nahezu unbegrenzte Designfreiheit aus und verkürzt Entwicklungs-, Fertigungs- sowie Lieferzeiten deutlich. Daneben senkt sie die Entwicklungs- und Produktionskosten drastisch. Leichtere und komplexere Bauteile können realisiert werden, und die Produktion erfolgt mit geringerem Material- und Werkzeugeinsatz.“

Die MTU sieht für die Fertigung von weiteren Serienteilen im Triebwerksbau viel Potenzial, wie etwa bei Lagergehäusen oder Turbinenschaufeln. Beides sind Teile mit höchstem Anspruch an die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Das MTU-Ziel: In 15 Jahren soll ein signifikanter Anteil der Bauteile im industriellen 3D-Druck hergestellt werden. Die EOS-Technologie unterstützt damit erfolgreich die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens, das in einer der anspruchsvollsten Branchen aktiv ist.

Kontakt:

• MTU Aero Engines AG, www.mtu.de
• EOS GmbH, www.eos.info