Spandende Fertigung Zerspanung ersetzt Blechumformung bei schwer zerspanbaren Werkstoffen

Triebwerke für Flugzeuge müssen im Prinzip ewig halten und stets zuverlässig arbeiten. Entsprechend anspruchsvoll ist die Fertigung der Triebwerkskomponenten aus schwer zerspanbaren Werkstoffen, wie ein Blick in die Fertigungsstätten von Rolls-Royce und MTU zeigt.

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Presseagentur Technik-Texte á la carte Dipl.-Ing. Nikolaus Fecht

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MTU Aero Engines AG

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Das einzige Konstante bei dem Triebwerkhersteller MTU Aero Engines Holding AG in München ist der Wandel. Wegen der stets stark schwankenden Auftragslage ist die Fertigung sehr flexibel. Blechumformung kommt kaum noch zum Zuge, die hochwertige Zerspanung dominiert: Außer Fertigungsverfahren wie Drehen, Fräsen, Räumen, Honen und Schleifen kommen Laserbohren, lineares Reibschweißen und Dreh-Fräsen zum Einsatz. Neue Fertigungsverfahren leistet sich MTU immer dann, wenn das Produkt eine ganz neue Technik erfordert.

Gefragt ist Maßgeschneidertes, so Michael Keller, Leiter des Centers Rotor/Stator/Produktionsservice: „Weil wir vielfach hochwarmfeste Legierungen bearbeiten, kommen wir nicht mit Werkzeugmaschinen von der Stange aus. Sie müssen für unseren Bedarf in vielen Fällen zumindest modifiziert werden, damit die benötigten Werte hinsichtlich Steifigkeit oder Schnittgeschwindigkeiten erreicht werden.“

Ein Beispiel: In der Werkshalle steht ein kombiniertes Fräs-Drehzentrum DMC 125 FD Duoblock des Bielefelder Werkzeugmaschinenherstellers Gildemeister DMG, dessen Standardpreis von 722000 Euro sich aufgrund von Sonderoptionen auf 1150000 Euro erhöhte. Die Maschine erhielt unter anderem eine Werkzeugaufnahme mit verbesserter Steifigkeit sowie eine 28-KW-Spindel mit einem Drehmoment von 3600 Nm bei 350 min1.

Auf der Dreh-Fräsmaschine entsteht aus einem hochfestem, 23 kg schweren Nickelbasisblock ein 15 kg schweres Turbinenaustrittsgehäuse für Geschäftsflugzeuge. Die Genauigkeit der Bearbeitung beträgt 20 µm.

Sieben Fünf- und Sechs-Achs-Fräszentren schlichten hochfeste Werkstoffe

Zu den Highlights des Maschinenparks zählt die größte Investition von 14 Mio. Euro: Sieben Fünf- und Sechs-Achs-Fräszentren der Liechti AG im schweizerischen Langnau schlichten hochfeste Werkstoffe mit einem Tempo von 300 m/min.

Ein „Weltrekordler“ steht in einer anderen Halle: Die Hoffmann Räumtechnik GmbH in Pforzheim lieferte die weltgrößte Anlage zum Profilräumen von Werkstücken mit einem Durchmesser bis 1500 mm. Das Einbringen von Nuten dauert je nach Werkstück 45 min bis neun Stunden. Bei einem Arbeitstempo von 15 m/min dauert das Einbringen von 74 Nuten in eine CFG-Scheibe 300 Minuten.

Die Werkzeuge aus gesintertem T 15 stammen aus den USA und Italien. Wegen des hohen Verschleißes werden sie bis zu 15-mal nachgeschliffen. Enorm sind auch die Qualitätsanforderungen: Die Fertigungstoleranz beträgt 5 µm.

Laser fertigt Bohrungen mit unterschiedlicher Kontur

MTU setzt manchmal sogar Unikate ein, wenn bestehende Techniken an ihre Grenzen stoßen. Ein Beispiel dafür sind speziell geformte Kühlluftbohrungen in Turbinenschaufeln, die die Temperatur der Schaufeln senken und so die Effizienz des Triebwerks steigern. Die Formbohrungen bestehen aus einem zylindrischen und einem trichterförmigen Anteil.

Üblicherweise geschieht die Bearbeitung per Erodieren – allerdings mit sehr langen Prozesszeiten und hohem Werkzeugverschleiß. Dazu Dr. Roland Fischer, Leiter militärische Programme: „Wir entschieden uns 1999 gemeinsam mit Partnern für die Entwicklung eines Prototyps zum Laserformbohren, mit dem sich Bohrungen unterschiedlicher Kontur erzeugen lassen.“

Zu den Partnern zählten die DMG-Tochter Lasertec, die Universität Erlangen, die TU München und Daimler-Chrysler. Es entstand im Jahr 2003 unter der Typenbezeichnung DML 80 Power Drill der Prototyp einer Laserformbohranlage, die auf einer Arbeitsfläche von 800 mm × 600 mm × 600 mm auch fräsen und abtragen kann. Der Vorschub beträgt 120 m/min und die Beschleunigung > 1 g.

Bohrlaser verdrängt das Erodieren

Zufrieden stellt Fischer fest, dass sich mit dem Verfahren extrem genau bohren lässt in einer Präzision, die mit anderen Techniken nicht möglich ist. Er nennt Details: „Es handelt sich um einen konventionellen Bohrlaser – kombiniert mit einem Abtrag- beziehungsweise Beschriftungslaser. Das Umstellen auf die neue Technik lief wesentlich problemloser als gedacht ab.“

Alle Achsen sind mit Linearmotoren ausgerüstet, die die Bearbeitungszeiten um bis zu 20% weiter senken. Doch der eigentliche Prozessfortschritt kommt vom Laserabtragen: Im Vergleich zum Erodieren gingen die Prozesszeiten um fast 90% und die Maschinenkosten um 70% zurück.

Kugelstrahlen jetzt mit Ultraschall

Noch exotischer ist ein anderes Verfahren, nämlich das Ultraschall-Kugelstrahlen. Das konventionelle Kugelstrahlen stieß bei neuen, sehr dünnen Triebwerkkomponenten an physikalische Grenzen. Gefragt war ein spezifiziertes Verfahren, das die Oberflächen ohne Verformung des Bauteils bearbeitet und die Radien noch präziser formt.

Das Arbeitsprinzip des Ultraschall-Kugelstrahlens entspricht einem extrem schnell schwingenden Hochton-Lautsprecher, auf den jemand kleine Salzkörnchen streut, die dann mit hoher Frequenz die Oberfläche polieren. Aus einer Laboranlage entstand eine maßgeschneiderte Maschine, die Schaufeln strahlt.

„Wir können damit nicht nur den Effekt des Verfestigungsstrahlens erzeugen, sondern auch entgraten“, so Fischer. Aufgrund der neuen Technik ließ sich die Effektivität um das Zweifache steigern.

Near-Netshape-Verfahren reduzieren Fertigungsschritte

Auch bei Rolls-Royce steht der Fertigungsprozess im Mittelpunkt der langfristig angelegten Strategie. Die Vision von Dr. Gregor Kappmeyer, Manager Manufacturing Engineering and Technology der Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co. KG in Oberursel: „Der Zerspanungsprozess regelt alles. Er definiert Maschinen-Plattform, Reihenfolge der Teileproduktion, unterstützende Maßnahmen, Infrastruktur, Profit und Kosten.“

Dazu müsse sich aber die Art und Weise der Fertigung drastisch ändern. Der Experte nannte auf einem Symposium über Aerospace-Fertigungstrends in Nürnberg ein Beispiel: Rolls-Royce stellte mit Erfolg die Produktion eines Keramikbauteils auf High-Speed-CBN-Drehen um. Wegen des Near-Netshape-Verfahrens sank die Anzahl an Fertigungsschritten von 23 auf 15.

In den Werkshallen in Oberursel entstehen sogenannte Rotatives, rotierende Antriebskomponenten für mittelgroße Triebwerke, die in der zivilen Luftfahrt eingesetzt werden. Die klar gegliederte Linienfertigung ermöglicht es, mehrere unterschiedliche Bauteile einer Bauteilfamilie in einer Losgröße von Eins zu fertigen und so die Durchlaufzeiten drastisch zu reduzieren.

Die Stückzahlen der Komponenten pro Jahr reichen dabei von einigen wenigen bis zu mehreren hundert. Im Jahr 2007 fertigte das Unternehmen 1400 bis 1500 Hochdruckverdichter-Trommeln für Triebwerke.

Produktionslinie langfristig wirtschaftlich gestalten

Die eingesetzte Fertigungstechnik reicht vom Fügen über mechanisches Bearbeiten bis hin zur aufwändigen Oberflächenbehandlung, beispielsweise Kugelstrahlen und verschiedene Beschichtungstechniken. Der Triebwerkshersteller plant – trotz der sehr geringen Stückzahlen – die Einführung ähnlicher Fertigungsprozesse wie in der Automobilindustrie. „Unsere Produkte sind weitaus langlebiger als die der Automobilindustrie, somit müssen wir auch die Produktionslinie langfristig wirtschaftlich gestalten. Unsere Fertigungsstrategie ermöglicht unter anderem einen reibungslosen Wechsel zu neuen Fertigungstechniken und Werkzeugmaschinenkonzepten“, erläutert Kappmeyer.

Drehen, Bohren und Fräsen zählen zu den wesentlichen Fertigungsverfahren. Spezialgeometrien entstehen per Schleifen (Verzahnungen), Räumen (axiale Nuten), elektrochemische Metallbearbeitung ECM (gekrümmte Bohrungen) oder Entgraten. Dabei fährt das Unternehmen zweigleisig. „Wir führen gerade als Ergänzung zur Fräsmaschine das Entgraten per Roboter ein“, so Dr. Kappmeyer.

Schmieden spielt weiter wichtige Rolle

Eine wichtige Rolle unter den Fertigungsverfahren spielt das Schmieden, das bei namhaften, für die Herstellung von Luftfahrt-Werkstoffen zertifizierten Firmen wie Leistritz Turbinenkomponenten Remscheid GmbH und Otto Fuchs KG in Meinerzhagen geschieht. Rolls-Royce erhält die Schmiederohlinge im vorgedrehten, ultraschallgeprüften Zustand und steuert diese satzweise just-in-time als Kanban-Teile in die Fertigungslinie ein.

Interessant ist die Produktionstechnik für zukünftige Verdichterbauteile: Es handelt sich dabei um die sogenannte Blisk-Technik, bei der Antriebsscheiben mit integrierten Schaufeln gefertigt werden. „Wir achten bei diesem Bauteil mit seinen integrierten Schaufeln besonders auf das Maschinengrundkonzept, Steifigkeit, dynamisches Verhalten, Zugänglichkeit und Simulationstools“, sagt Kappmeyer. Das Simulations-Tool benötigt Rolls-Royce bei der sehr komplexen Fünfachs-Bearbeitung von Schaufelgeometrien.

Bereits das erste Teil muss in Ordnung sein

Noch etwas unterscheidet die Produktion der Luftfahrtindustrie von anderen Branchen: Die Zielstellung lautet „first part is good part“. Die Tuurbinenhersteller können – bei Bauteilpreisen von manchmal mehr als 50000 Euro – nicht mit einer Vielzahl von Prototypen oder Testbauteilen „experimentieren“. Hinzu kommen bei Rolls-Royce neue prozessfähige Verfahren zur Komplettbearbeitung.

Trotz der weltweiten Standardisierung der Fertigungsprozesse gibt es keine strengen Lastenhefte wie früher bei manchen Automobilkonzernen. „Konzernweit werden vorhandene einheitliche Beschaffungsstrategien verfolgt. Trotzdem besitzen wir die Freiheit, für Rolls-Royce Deutschland die optimal geeigneten Werkzeugmaschinen und Werkzeuge zu kaufen“, erklärt der Produktionsfachmann.

So müssen Werkzeugmaschinen nicht nur die entsprechende Fertigungsfähigkeit, Wartungsarmut und Prozesssicherheit aufweisen, sondern auch das Integrieren von neuen Methoden wie Process Monitoring ermöglichen. Rolls-Royce-Manager Kappmeyer konkretisiert: „Bei unseren dünnwandigen Bauteilen setzen wir zukünftig verstärkt auf kombinierte Maschinen, mit denen sich in einer Aufspannung beispielsweise drehen und fräsen lässt.“

Nikolaus Fecht ist freier Journalist in 45879 Gelsenkirchen.

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