Kostproben aus der Werkstoffküche
08.06.2009
Die Experimentierfreude der Materialforscher ist ungebrochen: Neue Materialien und Werkstoffkombinationen könnten der Luftfahrtindustrie weltweit neue Impulse geben. aerotec blickte in die Werkstoffküche.
Die vielschichtigste Materialklasse bilden die Komposite und die Kohlefaserverstärkten Kunststoffe (CFK). Bei CFK gibt es im Wesentlichen ein großes Problem: die geringe Prozessautomatisierung treibt derzeit die Kosten noch in die Höhe. Bei CFK ist deshalb momentan weniger das Material Gegenstand der Optimierung sondern sein Herstellungs- und Verarbeitungsprozess.
Wichtig sind ebenfalls die faserverstärkten Keramiken für Triebwerkskomponenten. Sie bringen Gewichtsvorteile und helfen Kühlluft zu sparen, “brauchen aber ein werkstoffgerechtes Design”, bemerkt Dr. Jörg Esslinger, Leiter werkstofftechnik bei MTU Aero Engines.
Metallmatrixverbünde sind eine weitere Option. “Das Thema ist in der Entwicklung”, so Esslinger. Eine Anwendung wäre in rotierenden Bauteilen aus diesem Material mit lastkonform gelegten keramischen Fasern. “Aber auch über Partikel, etwa aus Oxiden, Boriden, Carbide verstärkte Metalle sind beispielsweise für Triebwerksschaufeln viel versprechend”, fügt sein Kollege Dr. Wilfried Smarsly bei. Man könnte dünner bauen und das würde Gewicht sparen. Bei diesen Verbünden handelt es sich meist um Aluminium oder Titan mit einer Verstärkung aus keramischen Partikeln und Fasern. So verwendet Eurocopter bei einigen Komponenten eine Aluminiummatrix mit eingelagerten Siliziumkarbidpartikeln.
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von CNTs (carbon nanotubes). Das BMBF fördert hier die Innovationsallianz Carbon Nanotubes (Inn.CNT). Im Teilprojekt CarboAir entwickeln unter der Koordination von Siemens Unternehmen wie EADS Innovation Works, SGL Carbon Bayer Technology Services, BASF und weitere Partner neue Lösungen. CNT in CFK könnte die Leitfähigkeit bringen, die für den Blitzschutz nötig ist, dazu kommen verbesserte Scherfestigkeit und Steifigkeit, was für 10 Prozent Gewichtsersparnis gut sein könnte. Auch wäre etwa bei Magnesium durch Zugabe von CNTs die Korrosionsfähigkeit zu verbessern. Und auch die Metallmatrixverbünde könnten von einer CNT-Zugabe profitieren.
Aber nicht nur mit der teuren Entwicklung neuer Legierungen schafft man Verbesserungen, es geht mitunter auch einfacher. Alloy Memory Structure Process (AMS) heißt ein neues, patentiertes Verfahren zur Materialverbesserung. “Jede Schmelze einer Legierung ist mikroheterogen”, so Dr. Evgenij Sterling, Entwicklungsleiter bei Berger Consult. Der Grund sind Cluster aus Legierungselementen in der Schmelze. Diesen rückte man mit sich drehenden, elektromagnetischen Feldern erfolgreich zu Leibe. “Das Ergebnis ist ein Gussteil mit feinkörnigerem Gefüge, weniger Lunkern, einer höheren Zugfestigkeit, das Gießen kann bei niedrigeren Temperaturen erfolgen und es geht schneller. Je nach Bauteil spart man 10 bis 20 Prozent Kosten”, berichtet Evgenij Sterling. Und auch der wieder aufgeschmolzene Abfall behält diese Eigenschaften. Der Prozess ist geeignet für alle elektrisch leitenden Legierungen.
Forscher von Airbus und FoldCore haben unter dem Verbundprojekten LuFo III und IV einen neuen Strukturwerkstoff erarbeitet der 40 Prozent Kosten und 30 Prozent Gewicht sparen soll. Und das Zaubermaterial ist gefaltetes, mit Kunstharz imprägniertes Aramidpapier, entwickelt von DuPont. 2004 lieferte FoldCore erstmals speziell gekrümmte Faltwaben aus diesem Material für eine Prüfschale an Airbus aus.
Wabenstrukturen gibt es schon länger, aber die Anisotropie der sechseckigen Waben ist weitgehend fixiert und gewölbte Flächen sind nur sehr umständlich herstellbar. “Mit gefalteten Strukturen kann man die Isotropie gut einstellen und fast beliebig gekrümmte Oberflächen herstellen”, berichtet Yves Klett von FoldCore. Die Faltkerne werden zusammen mit geeigneten Deckschichten zum Sandwich gefügt. Da sich mit dem Verfahren automatisiert Endlosbahnen aus Faltstrukturen herstellen lassen eignet es sich zur Massenproduktion. Außerdem haben gefaltete Strukturen gegenüber klassischen Waben den Vorteil offener Kanäle. Damit kann das Wasser, das sonst kaum zu entfernen ist und sich über ein Flugzeugleben auf einige Tonnen ansammelt, austreten, was der Airline Wartungskosten spart und über mehr freie Last Gewinn bringt.
- Dr. Barbara Stumpp -
Geld verdienen heißt fliegen
08.06.2009
Nur ein Flugzeug, das in der Luft ist, verdient Geld. Ertönt der Alarmruf AOG („Aircraft on Ground”), dann herrscht nicht nur bei Fluggesellschaften die höchste Alarmstufe. Auch für die Logistik-Experten bei der Schenker Deutschland AG zählt jede Minute, wenn ein solcher Notruf beim zentralen AOG-Desk in Kelsterbach eingeht. Denn Logistikkompetenz ist gefragt, wenn Flugzeuge nicht mehr abheben können und dringend notwendige Ersatzteile schnellstmöglich zu den Flughäfen dieser Welt gelangen müssen. [mehr...]
Sensible Elektronik braucht die richtige Hülle
08.06.2009
Bei Dichtigkeit und Zuverlässigkeit sind Glas/Keramik-Metall-Gehäuse unschlagbar, deshalb werden sie seit gut zwei Jahrzehnten auch in Flugzeugen eingesetzt, etwa für Sensoren oder zur Datenübertragung mittels Optoelektronik. Dennoch werden die Fähigkeiten und Möglichkeiten der Glas/Keramik-Metall-Gehäuse Verbindungen häufig noch unterschätzt, weswegen nach wie vor elektronische Bauteile in Kunststoff verpackt werden. Ein vermeidbares Risiko. [mehr...]
So sieht das Flugzeug von übermorgen aus
04.06.2009
Fliegen ist noch immer eine weltumspannende und effiziente Transportmöglichkeit – und vorerst gibt es keine schnellere Alternative. An der klassischen Flugzeugform mit Rumpf, Flügeln und Leitwerk hat sich in den letzten Jahrzehnten wenig verändert. [mehr...]
Ab Werk direkt in die Wüste
04.06.2009
Für die Hersteller von Passagierjets, vor allem Airbus und Boeing, droht die Finanz- und Wirtschaftskrise tiefgreifende Folgen zu haben. Völlig unstrittig ist, dass die Auftragszahlen der vergangenen Jahre nicht annähernd mehr erreicht werden. [mehr...]
Recaro: Doppelerfolg beim Crystal Cabin Award
01.04.2009
Der deutsche Hersteller von Passagierflugzeugsitzen Recaro Aircraft Seating (Schwaebisch Hall) ist auf der Hamburger Fachmesse fuer Flugzeugkabinenausstattung Aircraft Interiors Expo gleich in zwei Kategorien mit dem Branchenpreis Crystal Cabin Award ausgezeichnet worden.
In der Kategorie “Komfort und Wohlbefinden” setzte sich das Unternehmen mit einem neuen Economy-Class-Sitz durch, der fuer Ultra-Langstrecken bis zu 20 Stunden Flugzeit neue Massstaebe in der Beinfreiheit setzen will. Er birgt in seiner Struktur an Stelle der sonst ueblichen zwei Holme nur ein einziges Tragrohr aus Aluminium. Flexible Gewebe in der Kopfstuetze, ein Fussnetz sowie eine “ultraduenne” Rueckenlehne wurden von der Jury als ergonomische Pluspunkte gewertet. Der Sitz hat die Typenbezeichnung CL 3620 (CL = Comfort Line).
In der Kategorie “Zukunftskonzepte und Design” gewann die Recaro-Premiere SL 3510 (SL= Smart Line). Dieser in Hamburg erstmals vorgestellte Sitz fuer die Economy-Klasse ist konsequent fuer die Kurzstrecke ausgelegt und ueberzeugte die Jury durch seine “Kombination aus Robustheit, Design und Komfort.” Der SL 3510 bringt lediglich 9 kg Gewicht auf die Waage. Wie Recaro Aircraft Seating-Chef Axel Kahsnitz betonte, liegen fuer beide Sitzvarianten bereits konkrete Auftraege vor.
Die weiteren Crystal Cabin Awards gingen an B/E Aerospace, Boeing, den Designer James Lee und Lufthansa Technik. Auf der Fachmesse Aircraft Interiors Expo zeigen noch bis einschliesslich morgen (02.April) rund 500 Aussteller auf einer Flaeche von ca. 30.000 Quadratmetern ihre Produkte und Konzepte aus dem Kabinensektor. 36 Aussteller sind zum ersten Mal dabei.
Christian Klein, z.Z. Hamburg
Premium Aerotec: Abnabeln von EADS
29.01.2009
Im internationalen Flugzeugbau positioniert sich ein neuer Zuliefer-Riese: Die Premium Aerotec GmbH. Unter diesem Namen bündeln die beiden ehemaligen deutschen Airbus-Werke Nordenham und Varel sowie das Ex-EADS-Werk Augsburg jetzt ihre Kräfte. [mehr...]
HSC-Fräsen in neuen Dimensionen
03.07.2008
Es klingt fast wie ein Traum: 300 Prozent Produktivitätssteigerung durch die Anwendung des Hochgeschwindigkeitsfräsens (HSC). Dass es wirklich funktioniert, wurde jetzt in Thüringen nachgewiesen. Ein Technologievergleich der aktuellen Trennverfahren Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden und HSC-Fräsen bei der Bearbeitung von Aluminiumblechtafeln und Verbundkunststoffen brachte überraschende Ergebnisse.
Das Bearbeiten von Präzisionsteilen aus Aluminiumblechtafeln von zwei bis zwanzig Millimetern Stärke lässt sich durch Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC) wesentlich effektiver realisieren als mit CO2-Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden. Das konnte die Pelzer Maschinenbau und CNC-Zerspanungstechnik GmbH in Jena nachweisen.
Untersucht wurde die Bearbeitung eines acht Millimeter dicken Aluminium-Plattenmaterials auf dem HSC-Plattenbearbeitungszentrum »HPR 3000 linear« des Unternehmens Reichenbacher Hamuel GmbH. Die ersten Untersuchungen erfolgten an einem typischen Aluminium-Werkstück mit einer Losgröße von 300 Stück – einer Heizplatte. Nach Erfassen der Fertigungszeiten wurden die Kosten pro Stück errechnet. Bei Variante 1 konnte mit dem CO2-Laserschneiden eine Heizplatte in 12,55 Minuten für 13,71 Euro gefertigt werden. Beim abrasiven Wasserstrahlschneiden wich die Fertigungszeit mit 12,57 Minuten pro Stück davon nur minimal ab; die Kosten lagen bei 15,68 Euro. Beim Umrissfräsen mit dem HSC-Verfahren gelang es, die Fertigungszeit auf 2,36 Minuten und die Kosten rapide auf 4,49 Euro pro Stück zu senken. Damit kann das Trennen von Plattenmaterial eindeutig effizienter gestaltet werden. Zudem erhöhen sich die Qualität des Trennschnittes und die Konturgenauigkeit am Werkstück.
Bertram Pelzer, Inhaber der gleichnamigen Firma, fasst die erzielten Vorteile zusammen: »Das Besondere von HSC ist ein um bis zu dreißig Prozent höheres Zeitspanvolumen, fünf- bis zehnmal höhere Vorschubgeschwindigkeiten und viel geringere Schnittkräfte. Ein Verzug durch Erwärmung beim Zerspanungsprozess wird verhindert, da die Schnittgeschwindigkeit größer ist als die Wärmeleitgeschwindigkeit. Bei Anwendung des HSC-Fräsens lassen sich im Vergleich zum Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden Arbeitsproduktivitätserhöhungen von 300 bis 500 Prozent realisieren. Das ist einfach unschlagbar.«
Werden Vor- und Nachteile der drei Verfahren gegenübergestellt, dann punktet das HSC-Fräsen mit vielen Vorzügen und weist nur wenige Schwachstellen auf. Die bemerkenswertesten Vorteile des HSC-Fräsens gegenüber den anderen beiden Verfahren sind die hohe Maßgenauigkeit in einem Toleranzbereich von 0,03 Millimetern, winklige und saubere Schnitte und das sehr viel größere Werkstückspektrum. Außerdem treten keine Material- bzw. Oberflächenverfestigungen an den Schnittkanten auf. Die Bearbeitungszeit kann radikal verkürzt werden, auch weil verschiedene Konstruktionselemente wie Pass- und Gewindebohrungen sowie Fasen in einer Aufspannung am Werkstück möglich sind. Diese Komplettbearbeitung senkt die Fertigungszeiten und folglich auch die Kosten ganz beträchtlich. Vorteilhaft ist zudem, dass sich der Investitionsaufwand halbiert, die Betriebskosten erheblich gesenkt werden und ein geringerer Maschinenstundensatz möglich wird. Einen Nachteil hat das HSC-Fräsen allerdings: Es sind keine scharfkantigen Innenkonturen möglich. Hier schneiden das Laser- (0,15 mm) und das Wasserstrahlschneiden (0,5 mm) besser ab, denn diese Verfahren ermöglichen kleinere Innenradien von 0,15 bis 0,5 Millimetern.
Der wesentlichste Nachteil der Fertigungsverfahren Laser- und Wasserstrahlschneiden besteht darin, dass die ausgeschnittenen Halbwerkzeuge nicht im gleichen Bearbeitungsprozess mit weiteren Konstruktionsmerkmalen versehen werden können. Das erhöht die Fertigungszeit und führt zu einer relativ schlechten Konturgenauigkeit. Beim Laserschneiden ist eine Maßgenauigkeit in einem Toleranzbereich von 0,1 Millimetern und beim Wasserstrahlschneiden von 0,2 Millimetern erreichbar.
Die Vorschubgeschwindigkeitskennlinien der Fertigungsverfahren Laser- und Wasserstrahlschneiden unterscheiden sich sehr stark von der Kennlinie der HSC-Bearbeitung. Die Vorschubgeschwindigkeit ist von Materialart und Materialstärke abhängig. Eine falsch gewählte Vorschubgeschwindigkeit kann beim Laser- und Wasserstrahlschneiden zu Rauhigkeiten, Gratbildung und Unwinkligkeiten an der geschnittenen Kontur führen. Ein zu schnelles Schneiden der Kontur kann bewirken, dass das Material gar nicht mehr getrennt wird. Bei den Fertigungsverfahren Laser- und Wasserstrahlschneiden ist die Schnittgeschwindigkeit mit zunehmender Materialdicke grundsätzlich zu reduzieren.
Ganz anders verhält es sich bei der HSC-Fräsbearbeitung. Hier bleibt die Vorschubgeschwindigkeit über den größten Teil der Blechdicken konstant hoch. Dieser erhebliche Vorteil gegenüber den anderen Bearbeitungsverfahren entsteht durch die konstant bleibenden Zustelltiefen des Fräsers, der im Bereich des 0,5-fachen Durchmessers des Fräswerkzeuges liegt. Daraus resultiert zwar ein verlängerter Vorschubweg – durch die mehrmalige Bearbeitung der Werkstückkontur in mehreren Zustelltiefen. Dieser Nachteil wird allerdings durch die gleichbleibend sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit gegenüber den beiden anderen Verfahren nicht nur aufgehoben, sondern mehr als wettgemacht.
Der Bereich des effektiven und wirtschaftlichen Bearbeitens von Plattenmaterial für die Verfahren Laser- und Wasserstrahlschneiden liegt in einem Bereich von ca. 1 bis 6 Millimeter Materialstärke. Der Materialstärkenbereich des HSC-Fräsens liegt auf der neuen Anlage dagegen im Bereich zwischen 2 und 20 Millimetern, womit ein wesentlich größeres Platten- und damit Werkstückspektrum als mit Laser- und Wasserschneidanlagen abgedeckt werden kann.
Bertram Pelzer beschreibt, wie er die Auslastung der HSC-Fräsanlage plant: »Anhand von Kundenanfragen nach repräsentativen Werkstücken nehmen wir an, dass mit der neuen Anlage 85 % Aluminiumbleche und 15 % Kunststoff- sowie Verbundwerkstoffplatten bearbeiten werden. Durch die konstant hohen Vorschubwerte bei der HSC-Bearbeitung sparen wir gegenüber dem Laser- und Wasserstrahlschneiden Zeit und Kosten und erzielen somit einen enormen Wettbewerbsvorteil.« Das HSC-Plattenbearbeitungszentrum »HPR 3000 linear« des Unternehmens Reichenbacher Hamuel GmbH wurde als Kooperationsprojekt mit der Pelzer GmbH und Hugo Reckerth GmbH – einem Hersteller von Werkzeugspindeln – in drei Jahren realisiert. Dabei entwickelte Pelzer die Technologie und arbeitet seitdem an deren Verbesserung. Bertram Pelzer erläutert: »Wir haben Erfahrungen mit Hochfrequenzfräs-Spindeln mit 40.000 und 60.000 Umdrehungen pro Minute und werden demnächst mit einer 100.000-er Spindel Versuche fahren. Auch eine Mehrspindelbearbeitung ist eine Option.«
Das Produktangebot an Fräswerkzeugen umfasst derzeit tausend verschiedene Typen mit einer Vielzahl an Geometrien für die CNC-Fräsbearbeitung bis ca. 20.000 Umdrehungen pro Minute. Der Einsatz dieser Werkzeuge ist bei der HSC-Fräsbearbeitung bei Drehzahlen bis zu 40.000 bis 60.000 Umdrehungen pro Minute nicht mehr möglich. Hier sind Fräser mit optimierter Schneidengeometrie gefragt, deren Schneidstoff mit modernsten Beschichtungstechnologien verbessert wurde. Mit diesen Fräswerkzeugen könnten das Zerspanvolumen gesteigert, die Zerspankräfte gesenkt und eine hohe Oberflächenqualität bei geringen Fertigungszeiten erreicht werden. Diesem Zweck diente die Entwicklung neuer Fräswerkzeuge mit einem Durchmesser von 2 bis 10 Millimetern. Die »HPR 3000 linear« ermöglicht diese effiziente Bearbeitung auch deshalb, weil die Entwickler einige Weltneuheiten integrierten: den Linearmotor mit bis zu 1,2-g-Beschleunigung, die superschnelle Siemens-Sinumerik-Steuerung, die mit einem 30-Meter-Vorschub konturgenau und maßgetreu fräsen kann, und den leichten Aluminiumschaum-Werkstoff, aus dem die bewegten Teile bestehen. Diese bewegten Teile sind dadurch leicht, schwingungsgedämpft und dynamisch – auch bei einem langen Fahrweg. Eine NC-gesteuerte Absaugglocke mit integrierter Sperrluft sorgt für eine maximale Spanabsaugung. Der Arbeitsbereich bleibt so während des Fräsprozesses praktisch immer sauber und damit wartungsfrei, denn in der Werkzeugspindel ist zusätzlich eine Drehdurchführung für Spül-Luft zur Spanaustreibung am Werkzeug eingefügt. Bertram Pelzer: »Für die bequeme Beschickung der Anlage setzen wir einen kombinierten Vakuum-Luftkissentisch ein – auch um die großen Formatplatten zu spannen.«
Auf der HSC-Anlage werden gewalzte Aluminiumlegierungen und feinstgefräste Gussplatten für den Flugzeug-, Maschinen- sowie den Gerätebau bearbeitet. Typische Werkstücke sind z. B. Integralbauteile. Sie weisen neben einer sehr hohen Zerspanungsrate auch noch schwierige Werkstückgeometrien sowie sehr dünnwandige, teilweise freistehende Stege auf. Zudem lassen sie sich mit einer hohen Oberflächengüte herstellen. Diese Werkstoffe werden zurzeit mit VHM-Schaftfräsern im Durchmesserbereich von 2 bis 10 Millimetern bearbeitet. Gefräst werden können Werkstücke aus Aluminium, Messing und aus Verbundkunststoffen.
Drei Trennverfahren im Vergleich
CO2-Laserschneiden
Laserschneiden ist ein thermisches Trennverfahren für plattenförmiges Material – meist Metallbleche –, aber auch für Rohre oder Profile. Das Verfahren wird eingesetzt, wenn Werkstücke mit komplexen Geometrien eine präzise und schnelle Verarbeitung (10 m/min) und nahezu kraftfreie Bearbeitung erfordern. Derzeit liegen die maximal verarbeitbaren Plattenstärken für Stahl bei etwa 25 Millimetern, bei Aluminium sind es etwa acht Millimeter. Kupfer und andere gute Wärmeleiter sind schwer oder nicht mit dem CO2-Laser schneidbar. Beim Laserschneiden von Stahl findet an den Schnittkanten aufgrund der hohen zeitlichen Temperaturgradienten eine Aufhärtung statt, die bei der weiteren Bearbeitung Probleme bereiten kann. So beeinträchtigen z. B. die an den Schnittkanten verbleibenden Oxidschichten unter Umständen das Schweißen.
Wasserstrahlschneiden
Bei dem Verfahren Wasserstrahlschneiden wird das Material durch einen Hochdruckwasserstrahl getrennt. Dieser Strahl kann einen Druck von bis zu 6.000 Bar, eine Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 Metern pro Sekunde und einen Schalldruck von bis zu 130 Dezibel erreichen. Die Bearbeitung erfolgt fast ohne Erwärmung des Schneidguts. Beim Wasserstrahlschneiden unterscheidet man zwei Verfahren: das Reinwasserschneiden und das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden.
Abrasivschneiden
Zur Erhöhung der Schneidleistung bei härteren Materialien wird dem Strahl häufig ein Schneidmittel – ein Abrasiv – zugesetzt. Mit diesem Verfahren können fast alle Materialien ohne Gefügeveränderungen an den Schnittkanten bearbeitet werden: angefangen beim Schaumstoff bis hin zum Saphir. Häufige Anwendungsgebiete sind die Kunststoff- und die Metallbearbeitung sowie Zweikomponenten-Werkstück, wie z. B. ein Keramik-Metallmix.
HSC-Fräsen
Der Begriff Hochgeschwindigkeitszerspanung oder auch High Speed Cutting (HSC) bezeichnet in der Metallverarbeitung mit CNC-Fräsmaschinen ein Zerspanungsverfahren, bei dem die Schnittgeschwindigkeiten, Werkzeugdrehzahlen und Bahngeschwindigkeiten um ein Vielfaches höher sind als bei der konventionellen Zerspanungsbearbeitung. Die HSC-Technologie kommt zur Anwendung, wenn hohe Anforderungen an die Zerspanleistung und die Oberflächenqualität gestellt werden. Das Besondere beim HSC ist ein um bis zu 30 Prozent höheres Zeitspanvolumen [qcm/min], fünf- bis zehnmal höhere Vorschubgeschwindigkeiten und bis um das Dreißigfache geringere Schnittkräfte.
Dies ermöglicht die Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke. Die Oberflächenqualität steigt. Ein Verzug durch Erwärmung beim Zerspanungsprozess tritt nicht auf, da die Schnittgeschwindigkeit größer ist als die Wärmeleitgeschwindigkeit und dadurch die Wärme im Span verbleibt. Große Einsparpotenziale gegenüber konventioneller Fertigung liegen sowohl beim Vorschruppen (durch hohe Zerspanleistung) als auch beim Schlichten (durch hohe Oberflächengüte). Das HSC-Fräsen setzt man auch ein bei der Bearbeitung von Aluminium-Werkstücken mit geringen Wandstärken, die z. B. in der Luft- und Raumfahrt benötigt werden.
Janette Junghanns
Ein sparsamer, leiser und sauberer Weg in die Zukunft
03.07.2008
Weniger Sprit, weniger Abgase, weniger Lärm, hohe Leistung, leichte Wartung: Triebwerkshersteller haben einen harten Job. Mit Hochdruck arbeiten sie an technologischen Lösungen, die zu der von den Airlines geforderten drastischen Verbrauchs- und Schadstoffreduktionen gegenüber heutigen Modellen führen sollen. MTU Aero Engines als Partner von Pratt & Whitney und anderen Herstellern verfolgen den Ansatz des Geared Turbofan, Rolls-Royce und deren Joint Ventures setzen derzeit auf das Open Rotor Konzept. Beide konkurrieren um die Gunst der Flugzeugbauer, nutzen ein im Kern identisches, bereits heute verfügbares, konventionelles Triebwerk.
Die Zeiten ändern sich und damit die Ziele, die man sich setzt. Für die Luftfahrtindustrie wird das vom Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (ACARE) besorgt. Dieses Gremium hat einen strategischen Ansatz ausgearbeitet. Und der gibt bis zum Jahr 2020 die Marschrichtung vor: Das gesamte System der Luftfahrt muss effizienter werden.
Konkret bedeutet das für Airlines und Flugzeugbauer eine Senkung des Treibstoffverbrauchs um 50 Prozent, eine Reduktion der CO2-Emissionen und des Umgebungslärms um 50 Prozent und die NOx-Emissionen müssen um 80 Prozent gedrückt werden. Zudem sind wesentliche Fortschritte in Hinsicht auf eine umweltfreundliche Fertigung, Wartung und Entsorgung zu erzielen. Da sind dann schon massive Investitionen in Technologien gefragt, die erheblich zur Steigerung der Umweltfreundlichkeit des Mobilitätssystems Luftfahrt beitragen. Erfolg versprechen dabei die Gewichtsminderung der Flugzeuge durch die Verwendung innovativer Werkstoffe. Ein gutes Beispiel dafür: Blisk. Die „Blade Integrated Disk” ersetzt bis zu 120 einzelne Blätter eines Turbinenschaufelrads durch eine Scheibe, bei der die Schaufeln aus einem Werkstück zerspanend herausgearbeitet werden. Das senkt die Montagekosten und führt zu einer erheblichen Gewichtsersparnis bei den bewegten Teilen, was wiederum den Energieverbrauch des Triebwerks optimiert.
Die Verbesserung der Flugleistung und Aerodynamik haben ebenfalls großes Potenzial. Ein verbessertes Air Traffic Management zur Vermeidung von Warteschleifen, für direktere, kürzere Flugrouten und optimierte Flugprofile wäre dagegen relativ schnell und ohne größeren technologischen Aufwand zu haben. Diese „operative“ Verbesserung setzt unter anderem einen in Europa einheitlichen Luftraum voraus, den die HYPERLINK Europäische Kommission mit der Initiative Single European Sky (SES) verwirklichen will. Die IATA rechnet allein durch Einführung dieser Neuordnung mit einer Treibstoffersparnis von 12 Prozent. Geht es nach den Airlines, sollen die Triebwerkhersteller mit effizienteren Triebwerken einen erheblichen Teil zur Verbrauchsminderung und Senkung der Lärmemission und damit zur Erreichung der ACARE-Ziele beitragen.
Einen guten Überblick hat dabei sicher Prof. Dr.-Ing. Klaus Broichhausen als Vorsitzender des Vorstands des Bauhaus Luftfahrt e.V. in Garching bei München. In gemeinsamer Trägerschaft von Politik und Wirtschaft sind er und seine international renommierten Kollegen „gemeinnützig, neutral und kooperativ als Ideenschmiede zur Entwicklung tragfähiger innovativer Zukunftslösungen für Flugreisen und den Lufttransport von morgen und übermorgen tätig.“ Prof. Dr. Broichhausen kann derzeit zwei neue Triebwerkskonzepte benennen, die dazu Wesentliches leisten könnten. MTU Aero Engines als Partner von Pratt & Whitney und anderen Herstellern verfolgen den Ansatz des „geared turbofan“, Rolls-Royce und deren Joint Ventures setzen derzeit auf das „Open Rotor“ Konzept. „Beide konkurrieren um die Gunst der Flugzeugbauer, nutzen ein im Kern identisches, bereits heute verfügbares, konventionelles Triebwerk und jeder Ansatz hat seine Vorteile“ so Prof. Dr. Broichhausen. Was ist also dran, wo liegen die Unterschiede? Dazu Odilo Mühling als Unternehmenssprecher der MTU: „Eines unserer interessantesten Zukunftsprogramme ist der „geared turbofan“. Dieser Antrieb hat statt einer gemeinsamen Welle ein Untersetzungsgetriebe, das zwischen Fan und Niederdruckturbine geschaltet ist und damit diese beiden Komponenten in der Drehzahl entkoppelt.“
Dieser Ansatz verspricht ein attraktives Triebswerkskonzept für die nächste Generation von Verkehrsflugzeugen, weil sich nun der im Durchmesser größer dimensionierte Fan nur noch einmal dreht, wenn der kleinere Rotor drei Umdrehungen macht. Beide laufen damit in einem optimalen Geschwindigkeitsbereich und Betriebszustand und das macht sie erheblich effizienter. Natürlich bringt die zusätzliche Komponente Getriebe zusätzliches Gewicht und weitere bewegliche Teile. Kompensiert wird das, weil der Niederdruckverdichter nun um eine oder sogar zwei Stufen verkürzt und im Durchmesser verkleinert werden kann. Der Hochdruckverdichter und die Brennkammer arbeiten unmodifiziert, das Gesamtsystem nutzt den Sprit um 15 Prozent besser und das Triebwerk ist nur noch halb so laut. Es gibt bereits einen Demonstrator. Der basiert auf dem Zweistromtriebwerk PW 6000 und arbeitet im Schubbereich von 98-106 kN.
Seit November vergangenen Jahres durchlief er 130 Stunden in Boden- und Belastungstests. Airbus will nun das Demonstrationstriebwerk an einem A 340 installieren und eine eigene Testserie mit dem „geared turbofan“ fahren. Prof. Dr. Broichhausen bewertet dies als positives Signal. Vor allem, weil dieses Triebwerk bei Serienreife nicht nur die Energie- und Umweltbilanz neuer Flugzeuge verbessern würde, sondern auch bereits fliegende Muster damit nachrüstbar sind. Denn anders als beim konkurrierenden Ansatz des „Open Rotors“ muss man dafür keine neuen Muster bauen. Airbus beispielsweise könnte damit den A 320 zukunftssicher machen und sich damit die Neuentwicklung dieser Baureihe sparen. Prof. Dr. Broichhausen sagt außerdem: „Ein großer Vorteil des „geared turbofan“ ist, dass er leiser ist als ein heutiges Triebwerk und die in der Natur des offenen Rotors liegenden Lärmprobleme noch nicht gelöst sind.“ Konventionell konstruierte Flugzeuge in der Klasse der Regionalflugzeuge wie die der jetzt vielleicht doch noch von Bombardier aufgelegten C-Serie für 100-130 Passagiere bieten sich für den Einsatz des neuen Triebwerks ebenfalls an.
Die Kanadier sind sehr interessiert und wollen damit fliegen. Und auch Mitsubishi Heavy Industries hat für den neuen Regionaljet MRJ mit 72-92 Sitzen eine Marktstudie laufen und akquiriert Kunden für einen Markteintritt in 2013 mit dem „geared turbofan“, der dann serienreif wäre und damit die Nase vorn hätte. Denn das von General Electric Aircraft Engines und Rolls-Royce Ende der Achtziger Jahre im Prototyp GE 36 vorgestellte Open Rotor Konzept weist zwar einen höheren Wirkungsgrad und im Vergleich zum Getriebefan bessere Verbrauchswerte auf, erzeugt aber auch erheblich mehr Lärm. Zudem könnten die nicht ummantelten „Open Rotor“ Triebwerke wegen ihres großen Durchmessers ausschließlich am Heck eines Verkehrsflugzeugs angebaut werden, was die Entwicklungskosten für neue Muster nach oben treibt. Diese nächste Flugzeuggeneration bräuchte ein Doppelleitwerk. Trotzdem: Die Turbine mit zwei gegenläufigen, vielblättrigen Schaufelrädern, ein „Unducted Fan“ (UDF) also, hat das Potential für eine Reduktion des Treibstoffverbrauchs von bis zu 30 Prozent. Denn statt wie bei einem Jettriebwerk wenig Luft sehr schnell zu beschleunigen, bewegen die Propeller sehr viel Luft langsamer und sorgen so für einen wirtschaftlicheren Vortrieb. Der wird nicht – wie bei früheren Turbojet-Triebwerken – durch den Rückstoß des heißen Verbrennungsgases produziert. Die Propfans werden zwar auch von einer Strahlturbine angetrieben, bewegen aber 60mal mehr kalte Luft als Schubstrahl nach hinten als Luft durch eine Antriebsturbine strömen könnte. Das macht auch den herkömmlichen Turboprob-Antrieb so attraktiv. Zwar fliegt man mit Propeller langsamer, der Turboprop zeichnet sich aber durch einen niedrigen Kraftstoffverbrauch aus. Aus Zertifizierungsgründen ist die Flughöhe auf maximal 8.000 Meter beschränkt. Außerdem ist der Luftdruck in noch höheren Luftschichten niedriger, die Effizienz von Turboprop-Triebwerken nimmt damit ebenfalls ab.
Der Geschwindigkeitsnachteil gegenüber dem Jet wirkt sich auf der Kurz- und Mittelstrecke nicht so stark aus. Und Prof. Dr. Broichhausen sieht deshalb auch die Chancen des Propellers steigen, wenn es ein neues Air Traffic Management mit unterschiedlichen hohen Flugkorridoren für langsamere und schnellere Flieger gibt und die Flugbewegungen für Kurz- und Mittelstrecke von den Langstrecken getrennt erfolgen. Dann ist mehr Platz am Himmel und die Slots können ohne Einschränkungen bei der Flugsicherheit „zeitrationaler“ ausgelegt werden. Außerde
m sind Turboprops heute auch für mehr als 800 Kilometer pro Stunde gut.
Die optimierten Antriebe haben statt einfachen Propellern neuartige „ HYPERLINK “http://de.wikipedia.org/wiki/Luftschraube” \o “Luftschraube” Luftschrauben“. Deren Schaufelblätter überlappen sich, sind sichelförmig und breit. Sie verfügen über ein dünnes Profil und arbeiten als gegenläufiges Paar. Der Vorteil: Ein hoher Luftdurchsatz kann mit im Vergleich zu herkömmlichen Propellern durch kürzere Schaufeln und bei niedrigerer Drehzahl erreicht werden. Das reduziert auch die Geschwindigkeit an den Blattspitzen, das Flugzeug wird leiser und die Stromgeschwindigkeiten bleibt hier dann unter der Schallgeschwindigkeit, was die Reibungskräfte minimiert. Nicht nur im Airbus A 400 M sorgt die Luftschraubenvariante als Dreiwellen-Triebwerk TP 400-D6 für einen mächtigen Schub von 8.000 kW mit niedrigen Lebenswegkosten.
Gearbeitet wird an einem „Ducted Fan“, bei dem sich zwei Rotoren gegenläufig unter einer Verkleidung drehen. Das ist eine Kombination aus dem herkömmlichen Propeller und dem heutigen Turbofan. Der Contra-Rotating Integrated Shrouded Propfan der MTU profitiert ebenfalls von dem guten Nebenstromverhältnis, das bei einem Propfan bei etwa 16 liegt und bei einem konventionellen Jet nur bei sechs bis neun. Crisp kommt allerdings erst in Phase zwei des CLean AIR Engine Technologieprogramms der MTU (CLAIRE), also im Zeitraum ab dem Jahr 2020 bis 2030. Bis dahin soll hauptsächlich der „geared turbofan“ zu einer weiteren Senkung des Treibstoffverbrauchs beitragen.
Der ist bei der Lufthansa seit 1970 pro Passagier um 70 Prozent gesunken. Auf 100 Kilometer verbrauchte die Airline im Jahr 2007 für jeden Fluggast 4,4 Liter. Mit dem neuen Airbus A 380 und der Boeing 747-8 soll die Dreilitermarke erreichbar sein. Das bestätigt auch Prof. Dr. Broichhausen. „Die Luftfahrtindustrie als Gesamtsystem hat seit dem Jahr 2000 bis heute insgesamt eine Effizienzsteigerung von zehn Prozent erreicht.“ Trotzdem müssen die Turbinen noch sparsamer werden. Dazu untersucht MTU auch den Einsatz eines Wärmetauschers, der dem Abgasstrahl die Wärme entzieht, damit die anströmende kalte Luft aufheizt und mit dieser die Brennkammer füllt. Das könnte zusätzlich bis zu 20 Prozent Kraftstoff sparen. Leider waren diese Systeme bisher so groß, dass sie sich nicht integrieren ließen.
MTU entwickelte deshalb eine neue Form für das Rohrsystem. Durch eine Reduzierung der Querschnitte – die Rohre sehen aus wie eine Lanzette – kann man sie im jetzt als Rekuperator bezeichneten Wärmetauscher so dicht packen, dass die Fläche für einen wirtschaftlichen Wärmetausch ausreicht. Der dazu notwendige Zwischenkühler wird in einem Gemeinschaftsprojekt von Rolls-Royce entwickelt. Überhaupt MTU. Sie ist heute an fast jedem modernen “Strahltriebwerk” in der zivilen und militärischen Luftfahrt als Partner beteiligt und kooperiert mittlerweile mit allen großen Herstellern wie Pratt & Whitney, General Electric, Rolls-Royce, Volvo Aero, Avio oder Snecma. Mit dem New Aero Engine Core Concepts (NEWAC) soll auch noch eine weitere Anforderung an das Triebwerk von Morgen realisiert werden.
Die Entwickler hätten gern ein ‚aktives‘ Kerntriebwerk. „Ein solcher Antrieb verfügt unter anderem über einen intelligenten Verdichter, der sich dem jeweiligen Flugzustand anpasst“, sagt NEWAC-Programmleiter Dr. Günter Wilfert von MTU. Dazu benötigt man beispielsweise eine aktive Spaltkontrolle. Denn je kleiner der Abstand zwischen den Blattspitzen der Schaufel und der Innenwand des Verdichtergehäuses ist, desto höher ist die Verdichterleistung. Eine Sensorik erfasst die Zustände im Verdichter und die Steuerelemente verändern dann das Spaltmaß so, dass der Verdichter immer mit optimaler Leistung arbeitet. Neben diesen Optimierungen im und am Triebwerk selbst, gibt es einen weiteren systemverändernden Ansatz.
Das „more“ oder in der Steigerung dann das „all electric engine“ Konzept. Heute muss ein Triebwerk auch die gesamte an Bord benötigte elektrische Energie erzeugen. Dafür ist es aber nur bedingt geeignet. Es gibt viel effizientere Systeme zur Stromerzeugung für die Steuer-, Komfort und Regelfunktionen an Bord. Wenn Hilfsaggregate diese Aufgaben übernehmen, bleibt für das Triebwerk „nur“ der Antrieb und die Turbine muss nicht mehr, wie zum Beispiel bei der Landung, in ungünstigen Lastzuständen arbeiten, nur weil die Klimaanlage jede Menge Energie braucht. Heute fließen rund zehn Prozent von der Brutto-Antriebsleistung eines Passagierflugzeugs in die Bordsysteme. Bei einem durchschnittlichen Langstreckenflug
verbraucht ein Airbus A 330 rund 5.000 Liter Kerosin, um Strom, Druckluft und hydraulische Energie zu erzeugen.
Der neue Airbus A 380 bräuchte eigentlich ein kleines Kraftwerk an Bord für den Strombedarf mit einem halben Megawatt Leistung. Aber daran wird ja jetzt gearbeitet. In Verbindung mit allen anderen Maßnahmen erscheinen die ACARE-Ziele dann doch erreichbar. Zumindest die Triebwerkhersteller nehmen sie ernst und sind dabei, ihre Hausaufgaben zu machen.
Robert Wouters
A 400 M: Triebwerk TP 400-D6 mit Propeller auf einem Prüfstand bei Snecma.
Titan sicher die Stirn geboten
03.07.2008
Ein bedeutender Triebwerkhersteller aus Russland hat dem Werkzeugmaschinenbauer MAG Boehringer einen großen Auftrag erteilt. Dabei handelt es sich um acht Triebwerksteile aus Titan. Nicht nur ein anspruchsvolles Material, sondern auch – durch die geringen Toleranzen – eine Herausforderung an den Prozess.
Einhundertfünfzehn- diese Zahl hatte für MAG Boehringer bei der diesjährigen Metalloobrabotka, einer der wichtigsten Maschinenbaumessen Russlands in Moskau, eine doppelte Bedeutung: 1893 lieferte der Göppinger Maschinenbauer exakt 115 Drehmaschinen an die russische Staatsbahn in Moskau. Jetzt genau 115 Jahre später, kann man sich bei Boehringer in Göppingen wieder über einen Großauftrag aus Russland freuen.
Ein bedeutender Triebwerkhersteller aus Russland erteilte MAG Boehringer einen großen Auftrag. Dabei handelt es sich um acht Triebwerksteile aus Titan. Nicht nur ein anspruchsvolles Material, sondern auch – durch die geringen Toleranzen – eine Herausforderung an den Prozess. Bearbeitet werden die Bauteile auf Maschinen der NG-Baureihe von MAGBoehringer. Die Anforderungen an die Genauigkeit sind hoch, das heißt die Form- und Lagertoleranzen lagen bei lediglich 0,015 mm. Hinzu kam, dass die Teile während der Bearbeitung bis zu vier Mal umgespannt werden mussten. Die Abstimmung der einzelnen Spannungen war so exakt, dass von Anfang an jegliche Fehler vermieden werden konnten, der Prozess technologisch so koordiniert, dass mit möglichst geringem Aufwand die Maschine schnell und einfach umgerüstet werden konnte. Die Folge: Die Nebenzeiten reduzierten sich erheblich.
Eine wichtige Funktion bei der Bearbeitung übernahm dabei das Spannmittel. Es sorgte für einen stabilen Halt und eine sichere Befestigung der zu bearbeitenden Teile. Mit geringer Radialkraft wurde das Werkstück zentriert und die Mitnahmekraft über die Planspannung realisiert. Dadurch konnte das Teil fest gespannt werden, ohne das Material zu deformieren oder zu beschädigen.
Ein wichtiges Merkmal von Titan ist seine hohe Festigkeit bei einem relativ geringen spezifischen Gewicht. Umgangssprachlich ausgedrückt: Es ist so hart wie Stahl und gleichzeitig leicht wie Aluminium. Durch diese Besonderheit sind die Anforderungen an Maschine und Werkzeug besonders hoch. Titan hat eine weitere unerwünschte Eigenschaft: Es ist ein schlechter Wärmeleiter. Bei Standard-Bearbeitungsverfahren wird jedoch die Wärme über den Span abgeführt, was bei der Titan-Bearbeitung schwierig ist. Daher setzt MAG Boehringer bei der Zerspanung auf beschichtete Hartmetallwerkzeuge, denn nur eine hochwarmfeste Hartmetall-Substrat-Legierung verhindert ein Ausbrechen der Schneide. Auch eine andere Eigenheit von Titan macht die Zerspanung schwierig: Bei der Bearbeitung weicht der Werkstoff elastisch zurückt, hebt sich später aber auch wieder an. Bei gewöhnlichen Zerspanungsstrategien führt dies zu einer erheblichen und nicht tolerierbaren Maßungenauigkeit. Um einen solchen Effekt zu vermeiden, wurden sehr scharfe Schneiden eingesetzt. Diese reduzierten die Schnittkräfte derart, dass sie das Material bearbeiteten, ohne dass ein Zurückweichen auftritt. So bestückt erreichten die NG-Maschinen – ausgerüstet mit Linearmaßstäben – die geforderten Genauigkeiten bei der Bearbeitung. Also ein optimales Resultat.
Für MAG Boehringer bedeutet der erfolgreiche Abschluss dieses Projektes einen weiteren Meilenstein in der Zusammenarbeit mit den russischen Kunden. In Göppingen ist man zuversichtlich, dass diesem Auftrag weitere folgen.
