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Triebwerksbau Drahtfunkenerosive Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe

Autor / Redakteur: Fritz Klocke, Gregor Smeets und Andreas Klink / Andrea Gillhuber

Die steigenden Anforderungen in der Triebwerksindustrie verlangen eine kontinuierliche Weiterentwicklung hochwarmfester Werkstoffe. Klassische zerspanende Verfahren kommen dabei an ihre Grenzen, eine effektive Alternative ist die drahtfunkenerosive Bearbeitung.

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Bild 1: Drahtfunkenerosive Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe im Turbomaschinenbau.
Bild 1: Drahtfunkenerosive Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe im Turbomaschinenbau.
(Bild: RWTH Aachen)

Aufgrund des wachsenden Marktes von Strahltriebwerken in der Luftfahrtindustrie sind effiziente Fertigungsprozesse bei der Herstellung von Luftfahrtkomponenten unerlässlich. Zudem zwingen steigende ökonomische und ökologische Anforderungen den Industriezweig zu einer stetigen Verbesserung ihrer Triebwerke. Die Weiterentwicklung der dazu erforderlichen hochwarmfesten Werkstoffe und die Umsetzung schlankerer Bauteilgeometrien zur Gewichtsreduktion bringen die klassischen zerspanenden Verfahren technisch und wirtschaftlich an ihre Leistungsgrenze. Zur Steigerung des Triebwerkswirkungsgrads und somit zur Reduktion des Treibstoffverbrauchs werden zusätzlich die einzuhaltenden Fertigungstoleranzen bei der Herstellung dieser Bauteile kontinuierlich reduziert.

Bild 2: Umfangssegment mit Profilnuten einer Turbinenscheibe.
Bild 2: Umfangssegment mit Profilnuten einer Turbinenscheibe.
(Bild: RWTH Aachen)

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Einen aktuellen Forschungsschwerpunkt am WZL der RWTH Aachen stellt die Herstellung sogenannter Profilnuten, auch Tannenbaumprofile genannt, in Turbinenscheiben dar. Im Rahmen des ICTM, einer von der Fraunhofer-Gesellschaft in Kooperation mit der RWTH Aachen University gegründeten Initiative, forschen Turboarbeits- sowie Werkzeugmaschinenhersteller an aktuellen Problemstellungen in der Fertigung. Das Ziel ist die kosteneffiziente und qualitativ hochwertige Fertigung von Komponenten in Turboarbeitsmaschinen. Bild 2 zeigt den Ausschnitt eines typischen Turbinenbauteils mit Profilnuten.

Bearbeitung von Nickelbasiswerkstoffen mittels Drahtfunkenerosion

Profilnuten in Triebwerkskomponenten dienen in der Regel der Montage von Turbinenschaufeln, die im Gegensatz zu Verdichterschaufeln innengekühlt sein müssen und daher nicht integral aus einem Teil gefertigt werden können (vergleiche Bliskbauweise).

Mit der Drahtfunkenerosion ist es möglich, unabhängig von der Stegbreite der tragenden Bauteilstruktur, die linearen Geometrien dieser Nuten zum Beispiel mit kleinsten Geometrieabweichungen von maximal 5 µm bei einer mittleren Oberflächenrauheit von Ra = 0,8 µm und einer mittleren Bauteilhöhe in der Größenordnung bis 50 mm herzustellen. Rein technisch ist zwar eine weitaus bessere Oberflächenrauheit von Ra = 0,1 µm möglich, jedoch wird im Sinne einer verbesserten Wirtschaftlichkeit die Anzahl der Nachschnitte so weit wie möglich reduziert, sodass die Anforderungen der Luftfahrtindustrie beispielsweise bereits mit einer 3-Schnitt-Technologie erfüllt werden können.

Bild 3: Metallografische Schliffe von Randzonen einer Technologieentwicklung für das Bearbeiten von Inconel 718 auf einer Drahterodiermaschine Makino U6 H.E.A.T. und Prinzipskizze zur WEDM-Schnittfolge.
Bild 3: Metallografische Schliffe von Randzonen einer Technologieentwicklung für das Bearbeiten von Inconel 718 auf einer Drahterodiermaschine Makino U6 H.E.A.T. und Prinzipskizze zur WEDM-Schnittfolge.
(Bild: RWTH Aachen)

Zur Entwicklung geeigneter Haupt- und Nachschnitte für neuartige, hochwarmfeste Werkstoffe führt das WZL der RWTH Aachen Grundlagenforschung durch. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der Optimierung der Oberflächenintegrität als auch auf der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch Erhöhung der Schnittgeschwindigkeiten. Aus diesem Grund besteht eine enge Partnerschaft zu mehreren Maschinen- und Drahtelektrodenherstellern sowie Herstellern von Filtern und Maschinenzubehör, um auf kurzem Weg eine vielseitige und anwendungsorientierte Forschung zu ermöglichen. Bild 3 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer Technologieentwicklung für die Drahterodiermaschine U6 H.E.A.T. des Herstellers Makino. In diesem Rahmen wurde die Bearbeitung von Nickelbasiswerkstoffen untersucht, indem Einstellgrößen der Nachschnitte angepasst wurden, um die Randzone zu minimieren und die Oberflächenrauheit zu verbessern.

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