Nicht nur aus dem Film „ Star Wars“, sondern auch aus dem Fertigungsalltag der realen Luft- und Raumfahrt ist der Laser nicht weg zu denken. Das bewies der International Laser Technology Congress AKL’08, der außer den klassischen Anwendungen Prozesse wie Laserbohren, Pulverauftragsschweißen und Rapid-Manufacturing zeigte.

„Es geht um neue Werkstoffe, neue Produktionsverfahren, neues Design sowie um neue Reparatur- und Instandsetzungsverfahren“, schwor Prof. Dr. Stewart Williams von der britischen Cranfield University die Zuhörer des AKL’08 auf die Produkte einer der anspruchsvollsten Branchen der Welt ein: Flugzeuge, so der Experte auf der Veranstaltung vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) aus Aachen, bestehen künftig vorwiegend aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen und Titan. Die Produktion und Reparatur erfordere nicht nur neue (Laser)-Techniken, sondern auch völlig neue Geschäftsmodelle: Den Weg dahin zeigen Konzepte beispielsweise für Turbinen auf, die unter dem Obergriff ‚Product Service Systems’ die Fertigungswelt umkrempeln: Im Gespräch sind Varianten in allen Spielarten – vom Mieten der Antriebe, Sharing-System, Leasing bis hin zum Betreiber-Modell unter dem Motto ‚Power by the hour’ (Markenname einer Rolls-Royce-Dienstleistung).

Das alles geschieht im Rahmen des Wandels von reinen Fertigungskosten hin zu den life-cycle-costs, bei denen effektive preiswerte Reparaturlösungen eine wichtige Rolle spielen. Das bringt den Laser ins Spiel. Prof. Williams: „Der Laser bietet im Vergleich zu anderen Verfahren einige einzigartige Möglichkeiten. Verglichen mit anderen thermischen Verfahren zählen zu den Vorteilen der geringe Wärmeeintrag und die sehr gute Regelbarkeit.“ Hinzu komme im Vergleich zu mechanischen Verfahren die kontaktlose Bearbeitung ohne Werkzeuge.

Das einst exotische Laserverfahren erobert Tag für Tag neue Anwendungen. „Von Chips zu Ships“, sprach daher auch Prof. Dr. Reinhart Poprawe M.A., Leiter des Fraunhofer-Institutes für Lasertechnik ILT aus Aachen: Die Bandbreite reicht heute vom Erzeugen von Extrem Ultraviolett (EUV) Strahlung für die Lithographie in der Chipindustrie bis hin zum Regenerieren von Flugturbinen-schaufeln.

In auffallend vielen Referaten ging es diesmal um Lösungen für die Luftfahrt. Das EU-Projekt FANTASIA (Flexible and near - net shape generative manufacturing chains and repair techniques for complex shaped aero engine parts) mit Teilnehmern aus acht Ländern entwickelt bis zum Jahr 2010 beispielsweise das ‚laser metal deposition’ (LMD) und das ‚direct laser forming’ Verfahren (DLF), mit denen sich Bauteile endkonturennah reparieren beziehungsweise fertigen lassen. Dr. Konrad Wissenbach, Abteilungsleiter Oberflächentechnik am Fraunhofer ILT: „Diese Techniken bieten in Kombination mit konventionellen Fertigungsverfahren die Möglichkeit, einen Durchbruch bei der Produktion von Flugzeugtriebwerks-Bauteilen zu erzielen.“ Ein interessantes Ergebnis: Es lassen sich außer den konventionellen Legierungen auf Nickel- und Titanbasis auch neue Werkstoffe wie Titan-Aluminium verarbeiten.

Die Ergebnisse können sich sehen lassen. Der Fachmann präsentierte in Aachen beispielsweise ein von Sulzer Innotec entwickeltes LMD-Verfahren, um mit einem siebenachsigen Handling-System und einem 1,5-Kilowatt-Faserlaser bis zu 96 Löcher in Turbinen per Schweißen zu reparieren. Ein anderes Verfahren, nämlich SLM (selective laser melting), eignet sich zum schnellen Herstellen von Teilen. So entstand innerhalb von nur sieben Stunden aus SLM-Inconel 718 ein sehr komplexer Prototyp (‚Swirler’ mit einem Durchmesser von rund 60 Millimetern). Die mechanischen Eigenschaften derartiger SLM-Prototypen können mit denen konventionell gefertigter Bauelemente durchaus mithalten. Während ein wärmebehandeltes Bauteil aus Inconel eine Festigkeit von rund 1200 Megapascal aufwies, erreichte die SLM-Variante immer noch über 900 Megapascal.

Nun war bei allen Versuchen meist die Rede von Versuchen auf der Basis von Inconel 718. „Doch wie sieht es eigentlich mit anderen Werkstoffen aus?“, wollte Dr. Gregor Kappmeyer, Manager Manufacturing Engineering and Technology bei Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG in Oberursel, wissen. Dr. Wissenbach erwiderte, dass die Analyse der mechanischen Eigenschaften aller typischen Rapid-Manufacturing-Werkstoffe für die Luftfahrtindustrie geplant sei. Am Ende des EU-Projektes soll eine Datenbank mit den Eigenschaften aller Werkstoffe stehen, mit denen die Entwickler von Flugzeugbauteilen arbeiten können.

Dr. Kappmeyers Interesse an neuen Werkstoffen und Laserverfahren kommt nicht von ungefähr, denn das Werk in Oberursel arbeitet seit Jahren sehr eng mit dem Fraunhofer ILT zusammen bei der Reparatur von Bauteilen, bei der neuerdings auch das Laserauftragschweißen (Laser Cladding) zum Einsatz kommt. In Aachen entstand ein maßgeschneiderter Prozess für eine Laseranlage (Trumpf Lasercell 1005), die seit der bestandenen Überprüfung durch ein Auditorenteam aus der Rolls-Royce-Zentrale beispielsweise Rotoren und Gehäuse repariert.

In der Entwicklung und Zertifizierungsphase befinden sich Verfahren für Blisks. Martin Spallek, verantwortlicher Leiter von Components-Repair: „Wir haben hier erfolgreich 60 Prozent der Schaufelhöhe wieder aufgebaut. Die eigentliche Kontur stellen wir per ‚adaptive milling’ wieder her.“ Auf dem Laserkongress interessierte einen Zuhörer, wie Rolls-Royce denn die sogenannte Wärmeeinflusszone (WEZ) als ein Gütekriterium für das Laser-Verfahren erfasse und definiere. Spallek: „Wir definieren den Einfluss über Metallographie und über die ermittelten Härtewerte. Es wird unter anderem auch der Härteverlauf über die WEZ hinaus getestet. Wenn die Ergebnisse im Bereich der zulässigen Spezifikationswerte liegen, gibt es keine Probleme beim Einführen eines derartigen Prozesses.“ Die WEZ sei in der Regel wegen des geringen Wärmeeintrags meist sehr klein: Bei einem Schichtauftrag von 0,1 Millimetern würde die WEZ beispielsweise etwa genauso dünn ausfallen.

Für Anwender wie Rolls-Royce besonders interessant ist das EU-Projekt AROSATEC (automated repair and overhaul system for aero turbine engine components), in dem ein Datenmanagementsystem entstand, das die individuellen Schritte beim Reparaturprozess von Flugantrieben miteinander verbindet. David Rainsford, Repair Development Manager bei der SR Technics Airfoil Services Ltd. aus Cork (Irland): „Das Ziel war eine mehr als bisher automatisierte Reparatur mit kommunikativen Schnittstellen zwischen jedem einzelnen Schritt des Prozesses.“ Bei dem AROSTEC-Teilnehmer handelt es sich übrigens um die ehemalige irische Service-Tochter von Swissair.

Das EU-Projekt zeigt auf, wie sich durch datentechnische Verknüpfung die unterschiedlichen Reparaturschritte zu einem Prozess vereinen lassen. Die entwickelte Software unterstützt alle Maschinen-Kinematiken und gängigen Steuerungen (wie Siemens, Heidenhain, Fanuc). Ein Plus: Unterschiedliches NC-Equipment lässt sich leicht anschließen. Auf der Unternehmensebene bietet die Software laut Rainsford den einfachen Anschluss an CAD, CAM, Quality-Assurance und Life-Cycle-Monitoring. Das Programm soll sich außerdem in ERP-Systeme integrieren lassen (Informationen und direkte Kontakte zu nationalen Teilnehmern stehen auf der Homepage www.arosatec.com). Integrieren per EDV geht Prof. Dr. Reinhart Poprawe M.A. noch nicht weit genug. Die Forderung des Leiters des Fraunhofer ILT: „Wir machen leider noch zu selten den Schulterschluss mit den Produktionsplanern, die durch geschickte Organisation in der Lage sind, zweistellige Prozentzahlen zur Steigerung der Produktivität einzusparen.“

Zu den Arosatec-Teilnehmern gehört auch MTU Aero Engines GmbH aus München. Dr. Mark Geisel beschäftigte sich jedoch mit anderen, ebenfalls EDV-typischen Problemen. Die Münchner wollten beispielsweise bei einem Bauteil für einen Kunden Bohrlöcher mit dem Laser noch exakter als bisher bearbeiten. Doch die Optimierung der Bohrung funktionierte nicht, obwohl es sich nur um Veränderungen im Bereich von Bruchteilen von Mikrometern handelte. Plötzlich wurden die Löcher nicht mehr sauber gefertigt. Schuld an der zunächst unerklärlichen Situation war ein Algorithmus, der die Parameter iterativ mit numerischen Verfahren in einzelne kartesische Bewegungen umgewandelt hatte. Doch eine kleine Veränderung von Parametern zeigte die Unzuverlässigkeit des bisher genauen Rechenprogramms auf. Erst nach Einführen eines sehr komplexen, exakteren Berechnungsverfahrens konnte MTU die Löcher wie gewünscht bohren.

Ein System zum Laserschweißen von glasfaserverstärkten Thermoplasten (GFK) hat die Advanced Fibre Placement Technology B.V. (AFPT BV) aus Sprang-Capelle (Niederlande) zusammen mit den Aachener Fraunhofer-Instituten ILT und IPT entwickelt. Das Ausgangsmaterial kommt auf Bändern auf die Anlage, auf dem es ein Hochleistungsdiodenlaser (2000 Watt) erhitzt. Diesen Prozess überwacht ein Online-Messsystem. Das Band mit dem geschmolzenen Plastik wird dann gepresst und gekühlt. Die AFPT-Anlage schweißt typische Aerospace-Werkstoffe wie kohlefaserverstärktes PEKK oder PEEK oder auch typische Industriematerialien wie glasfaserverstärktes PP oder PA. Bei dem Unternehmen ( afpt@wxs.nl) entstanden bereits verschiedene Maschinenkonzepte für die Luftfahrt- und Automobilindustrie. Ansprechpartner Coert Kok: „Flexible Optiken ermöglichen das Anpassen der Linsen an verschiedene Strahlgeometrien, umso für jede Komponente den optimalen Erwärmungsprozess zu erzielen.“

Nikolaus Fecht