Legierungen aus Titanaluminid für deutlich leichtere Flugzeugbauteile
Allein im Jahr 2016 war der Luftverkehr für 3,6 % aller Treibhausgasemissionen in 28 EU-Ländern verantwortlich, und bei der Zahl der Flüge rechnet man ab 2017 bis 2040 mit einem Anstieg um 42 %. Gewichtsreduzierungen bei Flugzeugen sind dabei ein wichtiger Weg, um die Effizienz zu steigern und Umweltbelastungen zu verringern. Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts MMTech war daher, Kosten zu senken und Bauteile aus Gamma-Titanaluminid (γ-TiAl) leistungsfähiger für die Luft- und Raumfahrt zu machen, um Kapazitäten zu optimieren.
Höheren Anforderungen genügen
Wie die stellvertretende Projektkoordinatorin Dr. Rosemary Gault erklärt, „war unser Hauptziel, den Zeit- und Kostenaufwand bei der Herstellung von Bauteilen aus γ-TiAl um 45 % und die Wartungskosten für Luft- und Raumfahrtbauteile um 8 % zu senken. Damit soll die Lebensdauer um 15 % verlängert, das Gewicht halbiert und der Rohstoffverbrauch um 20 % gesenkt werden.“ γ-TiAl-Legierungen sind leichter und korrosionsbeständiger als herkömmliche Nickellegierungen und halten auch höheren Temperaturen und Drücken stand. Da sie bei Raumtemperatur aber äußerst spröde sind, war die Fertigung schwierig, sodass MMTech nun eine Lösung finden sollte.
Überwindung von Hürden für höchste Effizienz
MMTech entwickelte innovative, kostengünstige Pulver für die additive Fertigung. Dabei eignete sich das kostengünstige und hochenergetische Mahlgut aus Kugelmühlen zwar für Pulverbettmaschinen. Ein Problem war allerdings die Porosität und Rissbildung bei Bauteilen, die mit dem im Projekt verwendeten Laserauftragschweißverfahren gefertigt wurden. „Bereits zu Beginn des Projekts hatten wir die Risiken kalkuliert und hielten gute Strategien zur Risikominimierung vor. Sobald eine Technologie nicht die gewünschten Ergebnisse brachte, initiierten die Partner alle gemeinsam zusätzliche Anstrengungen und Forschungen, um die Ziele zu erreichen“, erinnert sich Gault. MMTech brachte die Zerspanungsforschung deutlich voran, indem mit verschiedenen Maschinen für additive Fertigung gearbeitet und dies durch maßstabsgetreue Modelle der Prozesskette unterstützt wurde. So wurde ein neues Maschinenkonzept für die effiziente Abscheidung des neuen Materials entwickelt. Zudem verbesserten die Forscher die Bearbeitungsprozesse durch aktive und passive Dämpfung während der Bearbeitung und Entwicklung maßgeschneiderter Fräswerkzeuggeometrien sowie optimaler Bearbeitungsparameter (Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Werkzeugbeschichtung, Schmierstrategien).
Präsentation der Ergebnisse
Die Technologien wurden an einer generischen Turbinenschaufel, einem Abgasflansch für Kraftfahrzeuge und einem Turbinenlaufrad (zum Verringern von Druck und Durchfluss von Flüssigkeiten) bei einem Range-Extender für Elektroflugzeuge demonstriert. In allen drei Fallstudien reduzierte γ-TiAl das Gewicht der Komponenten um etwa 45 %, was künftig den Treibstoffverbrauch deutlich senken dürfte. Boeing zufolge könnte eine Einsparung von 1 % Kraftstoff bei einer Boeing 737-800 den jährlichen Kraftstoffverbrauch um 100 Tonnen senken, was die CO2-Emissionen um 318,7 Tonnen senken und auch sonstige Schadstoffemissionen deutlich reduzieren würde. Von Bedeutung ist Gault zufolge auch, „dass durch Einsatz von Gamma-Titan die Teilekosten bzw. Produktionszeit für die Schaufel um 45 % bzw. 10 % und für lasergeschnittene Kfz-Abgasflansche um etwa 80 % bzw. 64 % gesenkt wurden. MMTECH belegte die kostengünstigen Möglichkeiten unserer Partner, Luft- und Raumfahrtkomponenten aus neuen hochtechnischen Materialien herzustellen, das Gewicht zu halbieren und die CO2-Emissionen zu reduzieren.“ Dies dürfte vor allem der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Umwelt zugute kommen.
Schlüsselbegriffe
MMTech, Kosten, Gewicht, Emissionen, Gamma-Titanaluminid (γ-TiAl), Luft- und Raumfahrt, Kraftstoffverbrauch, additive Fertigung, Bearbeitung, Schaufel, kostengünstig, Abgasflansche für Kraftfahrzeuge
