Durch Laserschmelzen zu besseren Flugzeugtriebwerken
Die Herstellung von Komponenten für Flugzeugtriebwerke ist keine leichte Aufgabe. Die Bauteile müssen leicht und dennoch stark genug sein, um extreme Belastungen auszuhalten. Sie müssen 1.000 Umdrehungen pro Sekunde und Temperaturen bis zu 2.000°C ertragen, aber vor allem müssen sie strenge Sicherheitsstandards erfüllen. EU-finanzierte Forscher haben nicht nur eine Methode zur Herstellung von Komponenten mit all diesen Eigenschaften entwickelt, sie haben auch einen Weg gefunden, um diese schnell und zu tragbaren Kosten zu produzieren. Das Projekt FANTASIA ("Flexible and near-net-shape generative manufacturing chains and repair techniques for complex shaped aero engine parts") wurde mit 3,78 Mio. EUR unter dem Themenbereich "Luft- und Raumfahrt" des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) gefördert. Das 20 Mitglieder umfassende FANTASIA-Konsortium, angeführt von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) in Deutschland, hat gezeigt, wie mit selektivem Laserschmelzen (selective laser melting, SLM) extrem starke und effiziente, komplex geformte Triebwerkskomponenten gebaut und bei Beschädigungen auch repariert werden können. In der Tat haben Tests gezeigt, dass die Qualität der mit dieser Methode hergestellten Bauteile genauso hoch (oder höher) ist, wie die, die man mit konventionellen Verfahren erreicht. Mit SLM wird das Werkstück schichtweise aufgebaut. Dabei wird ein Metall-Pulver an den vorgegebenen Stellen auf das Substrat aufgetragen und anschließend sofort mit einem starken Laserstrahl zum Schmelzen gebracht, wodurch es sich fest mit dem Rest des Werkstücks verbindet. "Mit diesem Verfahren gelingt es nicht nur, beschädigte Triebwerksteile perfekt zu reparieren, sondern auch komplette Komponenten zu fertigen, die man mit konventionellen Methoden wie Fräsen oder Gießen prinzipiell nicht herstellen kann", erklärte Projektkoordinator Dr. Konrad Wissenbach vom ILT. "Damit werden auch Geometrien und Designs möglich, von denen man bisher nicht zu träumen wagte." Tests haben außerdem gezeigt, dass sich die Durchlaufzeiten für die Instandsetzung mit diesem und weiteren lasergestützten generativen Verfahren um 40% und mehr reduzieren lassen. Dies würde letztlich Einsparungen von bis zu 50% des benötigten Materials und mindestens 40% der Reparaturkosten bedeuten. Dr. Wissenbach zufolge sei der SLM-Ansatz noch nicht für jeden Turbinenwerkstoff geeignet, aber das Team habe bereits sehr gute Ergebnisse mit Inconel 718, einer Nickelbasis-Superlegierungen, und mit Titanlegierungen erzielt. Er merkte auch an, dass immer noch Forschungen notwendig seien, insbesondere zu Materialien, die anfällig für Risse oder Spalten sind. Hier erproben die Forscher noch Möglichkeiten, wie man eventuell bei der Nutzung entstandene Risse nachträglich durch Schmelzen oder Pressen wieder verschließen kann. Aber da Prävention immer besser ist als Heilen, experimentieren die Ingenieure auch mit Wegen, die Rissbildung von vornherein zu vermeiden, beispielsweise durch das Variieren der Laserleistung oder der Strahlgeometrie. Weitere Schwerpunktbereiche für die Forscher sind die Auswirkungen, die das Vorwärmen der Bauplattform auf die Produktqualität hat, sowie die Notwendigkeit, die Produktivität des Verfahrens zu steigern (bei einer Schichtdicke von 30 bis 100 Mikrometern dauert die Fertigung größerer Teile noch recht lange). "[In letzterem Bereich] können wir einen größeren Strahldurchmesser für die großen Flächen mit einem kleinen Strahl für die Konturen kombinieren", fügte Dr. Wissenbach hinzu. "Wir wollen damit eine Verbesserung um den Faktor Zehn in der Schnelligkeit erreichen." An den Forschungen für FANTASIA waren Forschungsinstitute und Industriepartner aus Deutschland, Frankreich, Italien, Lettland, Spanien, Südafrika und der Schweiz beteiligt.