Simulationen sind eine Schlüsseltechnologie der Luftfahrt

Jede Kerbe kostet Geld. Damit ein Trieb­werk die optimale Leis­tung erbringt, müssen die Ober­flächen der Turbinen­bau­teile spie­gel­glatt sein. Schon feinste Uneben­heiten erzeugen störende Turbulenzen, wenn die ver­dichtete Luft mit bis zu mehreren hundert Stunden­kilo­metern darüber strömt. Auch bei der Fer­tigung der Blade Integrated Disks, kurz Blisks, ist höchste Präzision gefordert. Eine echte Her­aus­forde­rung: Aus Titan-Scheiben mit mehr als einem Meter Durch­mes­ser muss eine komplizierte Geometrie her­aus­gefräst werden. „Schon minimale Schwingungen des Fräskopfs hinter­las­sen in der Oberfläche Riefen, die man nur durch aufwändige Nach­be­arbei­tung eliminieren kann. Im schlimmsten Fall ist die ganze Blisk unbrauchbar – Aus­schuss im Wert eines Klein­wagens“, erklärt Thomas Dautl, Leiter der Abteilung Fer­ti­gungs­tech­no­logien bei der MTU Aero Engines.

Die Rat­ter­marken, die der Fräser hinter­ließ, haben ihm jahre­lang Probleme bereitet: „Manche Blisks waren be­troffen, manche nicht – niemand konnte sich das er­klären.“ Erst als die Si­mu­lations-­Experten sich der Sache an­nahmen, wurde das Rätsel gelöst: Mit Hilfe von Computer­model­len fanden sie heraus, dass die Ro­tation des Fräskopfs Resonanzen in der Ti­tan­schei­be auslösen kann. Winzige Unter­schiede in der Geo­metrie und der Zu­sam­men­setzung der Scheibe entscheiden darüber, ob sie zu schwingen beginnt und den Fräs­kopf von seiner vor­ge­gebenen Spur ablenken. Die Si­mu­la­tionen zeigten auch, wie sich die un­er­wünschten Re­sonanzen verhindern lassen, beispiels­weise durch den Einbau von Dämpfungs­ele­menten oder einer Ver­änderung der Be­ar­beitungs­ge­schwin­dig­keit. Die Pro­duktion setzte diese Em­pfehlungen um und siehe da: Der Fräser hinter­ließ keine Rat­ter­marken mehr.

Schlüs­sel­tech­nologie der Luft­fahrt­industrie

Computerprogramme statt Trial and Error. Si­mu­la­tionen werden heute in der Luft­fahrt routinemäßig eingesetzt, um die Aero­dynamik von Flug­zeugen zu optimieren, den Sprit­ver­brauch zu senken, die Ge­räusch­be­las­tung zu ver­ringern, die Sicher­heit zu erhöhen, Material­aus­wahl und Pro­dukti­onspro­zes­se effizienter zu machen. „Numerische Si­mu­lationen sind eine Schlüs­sel­tech­nologie der Luf­tfahrt. Sie sind un­er­setz­lich, wenn es darum geht, Trieb­werke und Flug­zeuge zu entwickeln, zu optimieren und schneller auf den Markt zu bringen“, erklärt Dr. Edmund Kügeler, Ab­teilungs­leiter ­Numerische Methoden des Instituts für An­triebs­technik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR. „Ver­glichen mit dem klas­sischen Prüf­stand haben Si­mu­lationen den Vorteil, dass sie kos­ten­günstig sind: Man kann am Rechner Designs und Pa­ra­meter durch­rechnen, ohne kost­spielige Ver­suchs­objekte bauen und teure Experimente durch­führen zu müssen. Mit Si­mu­lations- und Optimierungs­techniken las­sen sich auto­matisiert im Computer optimale Lösungen finden.“

Bei der MTU werden Soft­ware­tools schon seit Jahren ein­gesetzt, um Probleme mit Eigen­schwingung zu lösen. Tra­ditionell lassen sich mit Hilfe von Si­mu­la­tionen aller­dings nur einzelne Fer­tigungs­schrit­te dar­stellen. „Für die verschiedenen Auf­gaben gibt es spezielle Tools, die unter­schied­lich detailliert und meist nicht kompatibel sind“, weiß Thomas Göhler, Spezialist für Computer­ge­stützte Analyse in der Werk­stoff­ent­wick­lung bei der MTU. „Weil ein Austausch zwischen den einzelnen Si­mu­lations­schrit­ten kaum möglich ist, können wichtige In­for­mationen nicht genutzt werden: Die Ma­te­ri­al­eigen­schaf­ten der Titan-Scheibe bei­spiels­weise sind nicht nur wichtig für die Steuerung des Fräsers, sondern haben auch Aus­wirkungen auf die Per­formance der Blisk.“

„Tatsächlich steckt in den Si­mu­la­tions­tech­niken viel mehr Potenzial als bisher genutzt wird“, davon ist auch Dr. Andreas Fischersworring-Bunk, Leiter Werkstoff- und Schadens­model­lie­rung, über­zeugt. „Man könnte die Effizienz im Trieb­werks­bau enorm steigern, wenn es gelingen würde, den gesamten Fer­tigungs­pro­zess von der Ma­terial­ent­wicklung bis zur finalen Prüfung dar­zu­stel­len und zu optimieren.“ Um dieses Ziel zu er­reichen, arbeitet er zusammen mit einem inter­dis­ziplinären Team an einem neuen, system­über­greifenden Ansatz.

Ergebnisse aus Einzel­simula­tionen verknüpfen

Die Zauberformel heißt ICM²E, kurz für Integrated Computational Materials and Manufacturing Engineering. Welt­weit nutzen Forscher diese noch neue Methode, um die Material­ent­wicklung und Fertigung zu optimieren, indem sie Er­geb­nisse aus Einzel­si­mu­la­tionen verknüpfen. Das Ziel: alle Pa­ra­me­ter von der Werk­stoff­ent­wick­lung über den gesamten Pro­duktions­pro­zess so aufeinander abzustimmen, dass am Ende ein Bau­teil herauskommt, das exakt die ge­wünschten Eigen­schaf­ten hat.

Um das ICM²E-Konzept an die An­forderungen des Trieb­werks­bauers MTU anzu­passen, mussten Thomas Göhler und das Projekt-Team Pionier­arbeit leisten. Der Erfolg kann sich im wahrsten Sinn des Wortes sehen lassen: Auf dem Bild­schirm im Büro des Werk­stoff­kundlers rast ein virtueller Laser­strahl über virtuelles Metall­pulver. Blaue Körnchen schmelzen auf und wachsen zusammen. Nur ganz selten bilden sich rote Punkte – winzige, nur wenige mikro­meter­große In­homo­genitäten. Schicht für Schicht entsteht ein Bau­teil. Zu langsam? Mit einem Maus­klick ver­doppelt Göhler die Ge­schwindig­keit und schon geht alles viel schneller. Aller­dings ent­stehen jetzt größere rote Flecken, Ein­schlüs­se, in denen das Pulver nicht auf­ge­schmol­zen wurde. Dank eines neuen Si­mu­la­tions­tools, das Göhlers Team zusam­men mit Forschern vom Fraunhofer-Institut für Werk­stoff­mechanik IWM ent­wickelt hat, werden jetzt erstmals die Aus­wirkungen von Laser­energie und Ge­schwindig­keit auf die Ma­te­ri­al­eigen­schaf­ten sichtbar. Korn­größen und Fehler­zahl, die bei dieser Simulation ermittelt wurden, exportiert der Doktorand Tobias Maiwald-Immer in das nächste Com­puter­pro­gramm, das die Struktur des Werk­stoffs visualisiert. Jetzt kann man zusehen, wie die Kristalle wachsen: „Durch Kombination der verschiedenen Si­mu­la­tions­tools lässt sich erstmals zeigen, wie Fer­ti­gungs­para­me­ter beim Lasers­intern die Festig­keit beziehungs­weise Elastizität des Materials be­ein­flus­sen“, so Göhler.

Maschinen­einstellung aus dem Computermodell

Das Bauteil, das auf seinem Bild­schirm langsam Form an­nimmt, gibt es wirklich: Die MTU fertigt das Bo­ros­kop­auge bereits serie­nmäßig additiv. Die op­ti­ma­len Ein­stellungen der Maschine wurden aus den Com­puter­model­len über­nommen. „Der Vergleich mit tat­sächlich gefertigten Materialien zeigt, dass die Vor­aus­sagen qualitativ mit den Er­gebnis­sen über­ein­stim­men, die die Sin­ter­anlage liefert“, berichtet Fischersworring-Bunk.

Ein Erfolg ist das auch für den Pro­jekt­partner Dr. Dirk Helm, Ge­schäfts­feld­lei­ter Fer­ti­gungs­pro­zes­se am Fraunhofer IWM: „Wir haben hier die Grund­lagen entwickelt für die industrielle An­wendung von ICM²E und gezeigt, was dieser An­satz leisten kann. Die Si­mu­la­tion macht deutlich, wie sich kleine Ver­änderungen innerhalb der Pro­zess­kette auf die Material­eigen­schaften aus­wirken. Daraus können wir genau ableiten, welche Fertigungs­parameter notwendig sind, um ein Bauteil mit ganz bestimmten Eigen­schaften herzustellen.“

Als nächstes wollen die Ingenieure bei der MTU simulieren, wie die einzelnen Fer­tigungs­schritte die Qualität der fertigen Blisks be­einflus­sen: „Das ist eine besondere Her­aus­for­derung, weil wir das Roh­material von externen Lieferanten bekommen, die miteinbezogen werden müssen“, betont Fischersworring-Bunk. „Nur diese können die Ausgangs­daten liefern, die wir brauchen, um die verschiedenen Be­arbeitungs­prozes­se so zu optimieren, dass wir die erforderliche Be­last­bar­keit erreichen.“

Simulationsgestützte Produkt- und Fertigungs­entwicklung

Und das ist noch nicht alles: Mit inte­grierten Simu­lationen lässt sich auch berechnen, wie lange die Produktion von Bauteilen dauert, wo es Ein­spa­rungs­poten­ziale gibt und wie die Maschinen opti­mal ausgelastet werden können. „Unser Ziel ist eine simu­lations­ge­stützte Produkt­ent­wicklung, die alles umfasst – von den mikroskopischen Material­eigen­schaften über sämtliche Fer­tigungs­schritte bis zum fertigen Trieb­werk“, resümiert Dautl. Eine Her­kules­auf­gabe, wenn man bedenkt, dass 1.000 Bauteile berück­sichtigt werden müssen.