Hydroforming Leichte Bauteile für Luft- und Raumfahrt mit Innenhochdruck umgeformt

Die Anforderungen an Metallbauteile zum Einbau in Flugzeuge, Raumfähren und Satellitensysteme sind extrem hoch. Immer häufiger entscheiden sich Hersteller daher für die Hydroforming-Technologie. Mit diesem Umformverfahren lassen sich komplex geformte, sehr stabile und gleichzeitig wirtschaftlich günstige Metallbauteile fertigen. Zudem ist Hydroforming durch die Vermeidung von Schweißnähten geradezu prädestiniert für die Luft- und Raumfahrtindustrie.

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Dörken Coatings GmbH & Co. KG

GGB Heilbronn GmbH

Weil Technology GmbH

Fischer Hydroforming GmbH

In keinem Einsatzgebiet sind die Anforderungen an die Herstellung von Metallbauteilen so hoch wie in der Luft- und Raumfahrt: Material und Schweißnähte von Flugzeugen, Raumfähren oder Satellitensystemen sind extremsten Belastungen ausgesetzt, etwa enormen Temperatur- und Druckschwankungen, Strahlungen, Salzwasser, Staub, Hagel- und Regenschlag. Gleichzeitig steigt der Druck auf die Branche, besonders leichte und kompakte Flugkörper zu bauen, um den Treibstoffverbrauch zu senken. Und auch die Produktionskosten sollen immer weiter minimiert werden. Die hohen Sicherheitsstandards der Branche müssen dabei ohne Kompromisse weiterhin erfüllt werden.

Um dies jederzeit zu gewährleisten ist das Hydroformingverfahr-en ideal geeignet. Die Vorteile des Hydroformings sind vielfältig. Die Formgebung bei der Hydroforming-Technik, bei der Rohre und Bleche mit Hilfe von Wasserdruck umgeformt werden, sind wesentlich präziser als bei einem anderen Verfahren. Denn die Geometrien können exakter ausgeformt werden als beispielsweise beim klassischen Tiefziehen und anschließendem Verschweißen (Bild 1).

Auch Kosten und Zeit lassen sich beim Hydroforming einsparen. Insbesondere Geometrien, für die mehrstufige Tiefziehprozesse nötig wären, erzeugt man mit Hilfe von Hydroforming in einem Fertigungsschritt. Bedingt durch die Kaltverfestigung des Materials während des Umformprozesses können deutlich dünnwandigere und somit leichtere Bleche und Rohre bei gleichen Festigkeitsanforderungen eingesetzt werden.

Schweißnähte lassen sich minimieren

Ein weiterer entscheidender Vorteil des Hydroformierens von Rohren, auch Innenhochdruckumformung – oder kurz IHU – genannt, ist die Reduktion von Schweißnähten. Denn Bauteile werden hier nicht durch das Fügen mehrerer, einzeln umgeformter Teile hergestellt (Bild 2). Stattdessen wird ein Ausgangsrohr von innen unter Hochdruck gesetzt und in einem Stück ausgeformt. Durch das Minimieren von Schweißnähten, die stets eine gefährliche Schwachstelle darstellen, ist die IHU-Technik geradezu prädestiniert für die Luft- und Raumfahrtindustrie.

HDE fertigt unter anderem Hydroforming-Bauteile für eine Abgasdüse in der ersten Antriebsstufe der europäischen Trägerrakete Ariane 5 ECA. Das T-Stück mit der englischen Bezeichnung TEG Inlet Tube (TEG = Turbine Exhaust Gas Duct) ist Teil einer Ringleitung im Kühlsystem der ersten Antriebsstufe. Dort fungiert es als Ansaugdüse für Abgase und Wasserstoff im Kühlprozess während des Starts. Die Anforderungen an die Konstruktion: höchste Präzision, geringes Gewicht und Kostenreduzierung bei sehr geringen Stückzahlen (Bild 3).

Es kommt immer auf eine exakte Geometrie an

Für die Herstellung der Einzelteile der 55 cm breiten und 38 cm hohen Düse hat das niederländische Unternehmen Senior Bosman Aerospace, einer der weltweit führenden Hersteller von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie, HDE Solutions beauftragt. Das T-Stück besteht aus vier ausgeformten Blechen, die Senior Bosman wie ein 3-D-Puzzle zusammensetzt (Bild 4).

Wenn die Geometrie dieser Bauteile nicht exakt stimmt, muss jedes einzelne Bauteil individuell angepasst werden. Um die Präzision der Bleche zu gewährleisten, entschied man sich daher für das Hydroformingverfahren. Die komplexe Form der Bleche wäre mit einem anderen Verfahren zudem nur sehr schwer und in mehrfachen Schritten herstellbar.

Werkzeugkosten lassen sich wesentlich senken

In einem ersten Schritt schneidet HDE vier flache Bleche per Laser zurecht. Sie bilden später die Innen-, Außen-, Ober- und Unterseiten des T-Stücks. Über ein- und maximal zweistufige Hydroforming-Prozesse wird dann jedes Blech in seine jeweilige Form gebracht. Im Unterschied zum Innenhochdruckumformen von Rohren wird das Blech hier per Wasserdruck in die Gravur eines flachen Werkzeuges gedrückt. Das Wasser ersetzt eine der Werkzeugkomponenten.

Die Werkzeugkosten lassen sich dadurch gegenüber dem konventionellen mehrstufigen Tiefziehen senken. In der Luft- und Raumfahrttechnik sind denn auch die Hauptkriterien bei der Herstellung Präzision und Qualität. Bei einer Stückzahl von zwanzig Bauteilen pro Jahr, wie im Fall des T-Stücks, sind aber auch die Werkzeugkosten nicht zu ignorieren.

Die so ausgeformten Seiten des T-Stücks liefert HDE an Senior Bosman nach Rotterdam. Dort werden sie zunächst per Laser an den überstehenden Bauteilkanten zurechtgeschnitten und dann stumpf aneinander geschweißt. Hierbei ist, wie schon betont, die genaue Formgebung der Bauteile entscheidend: Ist diese nicht präzise, passen die Kanten nicht exakt aufeinander und es muss nachgebessert werden – das kostet Zeit und Geld. Das zusammengeschweißte T-Stück wird abschließend von HDE in einem IHU-Gesenk auf Maßhaltigkeit kalibriert.

Hydroforming auch für sicherheitsrelevante Bauteile

HDE liefert ausser hydroformierten Blechen auch IHU-Rohre für die Luft- und Raumfahrt. Einer der Kunden ist die EADS. Für sie stellt HDE 36 Bauteile einer SPS-Leitung im Tankbereich des Eurofighters her. Dieses Leitungssystem ist dabei vonaußerordentlich höchster Wichtigkeit. Denn bei einem Triebwerksausfall während des Fluges ermöglicht das System einen Neustart. Versagt die Leitung, ist das gesamte Flugzeug gefährdet.

Die Anforderungen an die Fertigung des Bauteils mit Sicherheitsstufe eins sind dem entsprechend hoch. Wegen des engen Bauraums muss die Leitung zudem sehr kompakt gebaut sein – kleinste Radien und variable Querschnitte sind dabei gefordert. Weil sich das Bauteil innerhalb von Sekundenbruchteilen auf 600 °C erhitzt, kommt außerdem ein schwer verformbarer, hochtemperaturfester Stahl zum Einsatz.Auch diese enormen Anforderungen lassen sich am besten mit der IHU-Technik erfüllen. Dabei entstehen äußerst präzise, komplexe und sehr starke Bauteile.MM

Dipl.-Ing. Stefan Rossner ist Mitglied der Geschäftsleitung und verantwortlich für Vertrieb und Marketing, Dr. Stefan Geißler ist ebenfalls Mitglied der Geschäftsleitung und Leiter der Abteilung Entwicklung und Qualitätsmanagement der HDE Solutions GmbH in 58706 Menden, Tel. (0 23 72) 1 66-0, info@hde-solutions.com

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