Serienteile per Laser­schmelzen

Schicht um Schicht lassen sie individuelle Zahnkronen entstehen, bauen orthopädische Implantate, industrielle Werkzeuge, komplexe, leichte Automobilbauteile und auch Schmuckstücke auf: Additive Verfahren sind im Kommen und erobern eine Wirtschaftsbranche nach der anderen. Auch in der Luftfahrt spielen sie zunehmend eine Rolle. Im Triebwerksbau ist der MTU Aero Engines ein Durchbruch gelungen. Als einer der ersten Antriebshersteller der Welt fertigt das deutsche Traditionsunternehmen Serienteile.

05.2014 | Autorin: Martina Vollmuth

Dr. Rainer Martens, Vorstand Technik der MTU, erklärt: „Seit einigen Monaten läuft bei uns die additive Fertigung von Boroskop­augen für die Compliance und die Serie. Das ist für uns ein großer Erfolg.“ Damit ist die MTU in der Branche einer der Ersten. Zwar laufen überall Aktivitäten, die meisten stecken aber noch im Prototypen­stadium. Das ist bei der MTU anders: Die Boroskop­augen, die per selektivem Lasers­chmelz­verfahren (Selective Laser Melting = SLM) entstehen, sind Teil des Gehäuses der Nieder­druck­turbinen, die serienmäßig für das A320neo-Triebwerk PW1100G-JM hergestellt werden. „Damit stellt die MTU einmal mehr ihre Innovations­führerschaft unter Beweis, denn wir fertigen mit einem der modernsten Verfahren der Welt Teile für eines der modernsten Triebwerke, den Getriebefan“, betont Martens.

Boroskopaugen sind Anbauteile, die gebraucht werden, um die Beschaufelung von Zeit zu Zeit auf ihren Zustand und mögliche Ab­nutzungen hin zu überprüfen. Die Teile werden auf das Gehäuse genietet und erlauben es, ein Boroskop einzuführen. „Bisher haben wir diese Bauteile gegossen oder aus dem Vollen gefräst“, erklärt Walter Gieg, Bau­teil-Teamleiter PW1100G-JM bei der MTU in München. Die Nieder­druck­turbine des Getriebefans (GTF) PW1100G-JM ist die erste Turbine, die serienmäßig mit additiv gefertigten Boroskopaugen ausgerüstet werden soll. Das erste PW1100G-JM-Compliance-Modul made by MTU ging Ende vergangenen Jahres an Pratt & Whitney. Im Juni wird es im ersten Compliance-Triebwerk an Airbus geliefert. Im Compliance-Programm werden Trieb­werk und Zelle zusammen getestet und zugelassen.

Additive Verfahren sind bei Deutschlands führendem Trieb­werks­hersteller seit gut zehn Jahren ein Thema. „Begonnen haben wir mit der Herstellung von Werkzeugen sowie einfachen Entwicklungs­bauteilen“, erläutert Dr. Karl-Heinz Dusel, Leiter Rapid Technologies. In der zweiten Phase wurden Rohteile produziert, die bestehende Teile ersetzt haben, etwa Spritzdüsen sowie Schleifscheiben zur Fertigung von Bauteilen. In diese Etappe fallen auch die Boroskop­augen, die für den A320neo-GTF hergestellt werden. Das brachte für die MTU erhebliche Veränderungen mit sich, denn: „Damit haben wir die MTU zum Rohteil­hersteller gemacht und völliges Neuland betreten“, erklärt Prof. Dr. Thomas Uihlein, Consultant Management Tech­nologie­transfer bei Deutschlands führendem Trieb­werks­hersteller.

Uihlein: „Da wir Rohteile bisher eingekauft und nicht herge­stellt haben, konnten wir auf keine vorhandenen Prozesse, Verfahren und Strukturen für die Herstellung und Zulassung zurückgreifen. Das alles mussten wir aufbauen.“ Allein die Erarbeitung des benötigten Normsystems und die Ermittlung der Daten hat zwei Jahre in Anspruch genommen. Plötzlich stand man vor Heraus­forderungen, die man bisher nicht kannte; Werkstoff und Anlagen galt es für diese neue Art der Herstellung in den Griff zu be­kommen. Uihlein: „Wir haben etwa analytische Bauteile neu berechnet, die wir schon seit Jahrzehnten kannten.“ Zudem traten Fehler­quellen auf, die konventionelle Prüf­verfahren nicht erfassen. Abweichungen müssen bereits während der Herstellung erkannt werden. Das ermöglicht ein Online-Prüfverfahren.

Weitere Verbesserungen an Anlagen, Verfahren und Prozessen sind vorgesehen. Zum Beispiel: Derzeit sind die Ober­flächen der gefertigten Teile noch zu rau, was die Struk­tur­mechanik beein­trächtigt – deshalb muss nachgearbeitet werden. Uihlein: „Wir brauchen Ober­flächen­qualitäten wie bei Gussteilen, an denen wir nur die Anschluss­maße nacharbeiten müssen.“

Das Direkte Metall Laser-Sintern (DMLS) lässt Bauteile Schicht für Schicht entstehen.

Das Direkte Metall Laser-Sintern (DMLS) lässt Bauteile Schicht für Schicht entstehen.

Das Direkte Metall Laser-Sintern (DMLS) lässt Bauteile Schicht für Schicht entstehen.

„Das additive Verfahren eignet sich vor allem für schwer zerspan­bare Werkstoffe, etwa Nickel­legierungen“, konstatiert Fertigungs­spezialist Dusel. Für den Einsatz im Trieb­werks­bau sieht die MTU ein sehr großes Potenzial. Das Verfahren könne seine Stärke auch bei der Herstellung komplexer Bauteile ausspielen, etwa Lager­ge­häuse; denkbar seien auch Turbinen­schaufeln. Technik-Vorstand Martens: „Wir entwickeln das additive Verfahren im Augenblick mit hoher Priorität in zahlreichen Tech­nologie­projekten und Tech­nologie­programmen weiter, da es neue Designs, reduzierte Her­stell­­kosten, kürzere Fertigungs­zeiten und Liefer­zeiten verspricht.“ So arbeitet die MTU derzeit im Rahmen des größten europäischen Technologie­programms Clean Sky an einem additiv gefertigten Dichtungs­träger: Der Innenring mit integralen Honigwaben soll im Hoch­druck­verdichter verbaut und zu einer Gewichts­reduzierung, einem Hauptziel in der Luftfahrt, beitragen. Weiterer Vorteil ist eine deutlich verkürzte Fertigungs­zeit, da mehrere Arbeits­schritte in einem erledigt werden können.

Für Martens ist schon jetzt klar, dass seine Strategie aufge­gangen ist: „Wir haben nicht gleich mit komplexen Bau­teilen angefangen sondern mit vergleichs­weise einfachen Triebwerks­teilen, wie Boroskop­augen. Schritt für Schritt haben wir uns weiter vorgewagt und unsere Erfahrungen gemacht. Das zahlt sich jetzt aus, denn wir sind mit die Ersten, die für die Serie fertigen.“ Uihlein bestätigt: „Am neo-Triebwerk haben wir gelernt, wie die additive Serien­fertigung funktioniert. Wir haben den Vor­gang von A bis Z aufgebaut, durch­gespielt, ausprobiert und beherrschen ihn. Das ist unser Vorteil, denn wir können den Prozess jetzt auf andere Bauteile und Trieb­werks­typen übertragen, da die Grund­struk­turen die gleichen sind.“

Inside MTU Selektives Laserschmelzen

Beim selektiven Laser­schmelz­verfahren (Selective Laser Melting = SLM) wird das 3D-Modell des zu fertigenden Bauteils am Rechner in einzelne Schichten zerlegt. Nach diesem Bauplan baut ein Laser die Schichten auf einer Bau­plattform nach und nach aus einem pulver­förmigen Aus­gangs­material auf – Schichtdicke: 20 bis 40 Mikro­meter. Die Pulver­partikel werden lokal auf­ge­schmolzen und so mit­einander verbunden.

Mit dem Verfahren können komplexe Bauteile, die her­kömmlich nicht oder nur sehr aufwändig gefertigt werden können, mit geringerem Material- und Werk­zeug­einsatz her­gestellt werden. Dank seiner Flexibilität eignet sich das Ver­fahren ins­besondere für die Fertigung von Kleinserien oder individuell aufge­bauten Bauteilen. Bei der MTU in München sind sechs Maschinen im Einsatz, die her­kömmliche Guss- und Fräs­verfahren ersetzen. Mit dem Großteil der Anlagen wird gefertigt, eine steht den Ent­wicklern zur Verfügung. Bei allen Anlagen handelt es sich um DMLS-Maschinen (Direktes Metall Laser-Sintern) der Firma EOS; verarbeitet werden zunächst die Nickel­legierung Inconel 718 sowie Stahl und später Cobalt-Chrom- und Titan­legierungen.

„In den Bau­kammern verschmilzt der Laser das Metall­pulver bei Temperaturen von über 1.000 Grad; er hat eine Leistung von 400 Watt“, erläutert Dr. Karl-Heinz Dusel, Leiter Rapid Technologies. Pro Fertigungs­prozess entstehen mehrere Boroskop­augen auf einer Baup­lattform – Dauer: etwa zwei Tage. Ist der Aufbau ab­ge­schlossen, werden die Bauteile vom Träger getrennt, wärme­behandelt, fertig­gearbeitet und rissgeprüft. Der Herstellungs­prozess unter­liegt einer strengen Prozess­kontrolle.

GeFe_Metall-Schmelzen

In Sekundenbruchteilen wird das Material aufgeschmolzen.

GeFe_Metall-Schmelzen

In Sekundenbruchteilen wird das Material aufgeschmolzen.

Rohling-Rueckseite

Das PW1100G-JM ist das erste Triebwerk, das serienmäßig mit additiv gefertigten Boroskopaugen ausgerüstet werden soll.

Rohling-Rueckseite

Das PW1100G-JM ist das erste Triebwerk, das serienmäßig mit additiv gefertigten Boroskopaugen ausgerüstet werden soll.

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