Luftfahrt : Wie optimierte Werkzeuge für nachhaltigere Flugzeuge sorgen können
Nachhaltige Flugzeuge von morgen werden zunehmend aus der nächsten Generation von pulverbasierten, hitzebeständigen Superlegierungen (HRSAs) und fortschrittlichen keramischen Faserverbundwerkstoffen bestehen, die einen geringeren Treibstoffverbrauch und weniger Emissionen ermöglichen. Die eingesetzten Werkstoffe müssen hitzebeständig und kriechresistent sein und auch bei extremen Temperaturen gute Materialeigenschaften aufweisen, was bei der Zerspanung eine echte Herausforderung darstellt.
Laut UK Innovation Strategy-Bericht werden neue Technologien und Verfahren ganz wesentlich für die Fertigung und Zerspanung dieser fortschrittlichen Materialien sein. Und auch die Zusammenarbeit innerhalb der Branche wird von entscheidender Bedeutung sein – ein gutes Beispiel hierfür ist das Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC) im britischen Sheffield.
Das AMRC
Sandvik Coromant war 2000 neben Boeing und Messier Dowty (heute Safran Landing Systems) eines der ersten Gründungsmitglieder des AMRC. Später schlossen sich ihnen Unternehmen wie British Aerospace, Rolls-Royce, GKN Aerospace und Airbus an. Die meisten Projekte des Centre sind Gemeinschaftsprojekte, die von allen Mitgliedern gemeinsam finanziert und ausgewählt werden. Die ForscherInnen und IngenieurInnen des AMRC widmen sich teuren Projekten, die das Potenzial haben, eine starke, innovationsfreundliche Wirtschaft zu fördern.
Nachhaltigkeit in der Luft- und Raumfahrt
In der Luft- und Raumfahrt sollten neue Technologien und Verfahren vor allem dazu beitragen, dass umweltverträglicher Flugzeugtreibstoff und flüssiger Wasserstoff mit dem Ziel geringerer Emissionen genutzt werden kann. Insbesondere die Fähigkeit „heißer laufen“ zu können, spielt eine wichtige Rolle, da so eine effizientere Kraftstoffverbrennung möglich wird. In Kombination mit einem höheren Verdichtungsverhältnis, das die meisten neuen Triebwerke bieten, ergibt sich eine höhere Effizienz, wodurch weniger Kraftstoff verbrennt, die Leistung steigt und sich Lärmemissionen verringern.
Innovationen für bessere Kraftstoffeffizienz
Bei Flugzeugen ist das Kerntriebwerk relativ klein und der Fan an der Vorderseite relativ groß. Ein limitierender Faktor ist also die Rotationsgeschwindigkeit des Fans. Um dennoch eine hohe Verdichtung und eine bessere Kraftstoffeffizienz zu erreichen, wurden in den vergangenen fünf bis zehn Jahren Getriebe zwischen dem Fan und dem Kerntriebwerk eingebaut. Auf diese Weise kann der Fan langsamer und das Kerntriebwerk schneller laufen.
Diese Maßnahme erfordert HRSA-Komponenten, also Materialien auf Nickel-, Eisen- und Kobaltbasis, die metallurgisch so zusammengesetzt sind, dass sie ihre Eigenschaften auch bei extremen Temperaturen beibehalten. Doch bei der Bearbeitung dieser Materialien treten hohe Belastungen auf, denn die einzigartige Fähigkeit der Superlegierungen, Temperaturen nahe des eigenen Schmelzpunktes standzuhalten, hat auch einen Nachteil: Sie sind schwer zerspanbar.
Die Rolle von Blisks
Ein Bauteil, das in der Aerospace-Industrie immer häufiger eingesetzt wird, sind sogenannte Blisks, also Turbinenscheiben mit integrierten Schaufeln. Im Gegensatz zu herkömmlichen Turbinenscheiben, die am äußeren Rand über Schlitze zum Einsetzen der Schaufeln verfügen, sind bei Blisks Scheibe und Schaufeln in einer einzigen Komponente vereint. Das macht sie leichter als herkömmliche Turbinenscheiben mit eingesetzten Schaufeln und verringert die Anzahl der Bauteile im Verdichter. Gleichzeitig sinkt der Luftwiderstand und der Wirkungsgrad der Luftverdichtung im Triebwerk erhöht sich um etwa acht Prozent.
Blisks, die auf der „kalten“ Verdichterseite von Flugzeugtriebwerken angeordnet sind, bestehen üblicherweise aus Titan – zur Brennkammer hin wechselt dies allerdings zu HRSA-Werkstoffen. Die effektive Bearbeitung dieser Komponenten nach höchsten Standards erfordert optimierte Werkzeuge und umfangreiches Prozess-Know-how für den Umgang mit diesen fortschrittlichen Materialien.
Angesichts dieser Herausforderungen konzentrieren sich Sandvik Coromants interne Projektbereiche stark auf Schlüsselkomponenten und -merkmale von Flugzeugtriebwerken wie Scheiben, Blisks, Wellen und Gehäusen. Insbesondere bei den aktuellen Gasturbinentriebwerken werden vermehrt Blisks eingesetzt. Und dieser Trend wird sich fortsetzen, denn mit Blisks lässt sich auch noch das letzte Quäntchen an möglicher Leistung und Kraftstoffeffizienz aus den Triebwerksarchitekturen herausholen. Doch die häufig aus HRSAs hergestellten Blisks stellen besondere Anforderungen an die Bearbeitung. Und die Bauteile erfordern enge Maßhaltigkeit und Formtoleranz bei gleichzeitiger Wahrung eines hohen Niveaus an Oberflächenbeschaffenheit und -güte.
Sicherere Zerspanung
Als Antwort auf diese Bearbeitungsherausforderungen bietet Sandvik Coromant Werkzeuge an, die eine kosteneffiziente und qualitativ hochwertige Bearbeitung von Triebwerkskomponenten unterstützen. Eine von Sandvik Coromant empfohlene Methode ist das High-Feed-Sidemilling. Das Verfahren erfordert nur einen geringen radialen Eingriff in das Werkstück, was höhere Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten und größere axiale Schnitttiefen bei geringerer Wärmeentwicklung, weniger Spandicke und reduzierten Radialkräften ermöglicht.
Für diese Methode hat Sandvik Coromant die CoroMill® Plura HFS-Reihe zum Hochvorschubfräsen entwickelt. Das Programm umfasst eine Reihe von Schaftfräsern mit einzigartigen Geometrien und Sorten. Es besteht aus zwei Schaftfräserserien, die für Titanlegierungen bzw. für Nickellegierungen optimiert sind. Spanabfuhr und Wärmeentwicklung sind besondere Herausforderungen bei der Zerspanung von Titan, daher bietet die eine Serie eine massive Werkzeugausführung für normale Spanabfuhrbedingungen. Die andere Serie verfügt über eine Innenkühlung und einen neuen Kühlverstärker für optimale Span- und Temperaturkontrolle.
Weitere Anwendungen im Portfolio von Sandvik Coromant sind moderne Drehsorten, sowohl aus Hartmetall als auch aus polykristallinem kubischem Bornitrid (PKB), die für das Hochgeschwindigkeits-Schlichtdrehen von Bauteilen aus ISO S-Materialien entwickelt wurden. Diese Sorten werden durch keramische Schruppdrehsorten der nächsten Generation ergänzt, die eine überragende Leistung bieten. Die allerneuesten Schlichtsorten werden derzeit von Sandvik Coromant getestet und optimiert, um die von den Triebwerksherstellern geforderte konsistente Oberflächenbeschaffenheit zu gewährleisten und gleichzeitig Komponenten mit engen Toleranzen produzieren zu können.
Ein Blick in die Zukunft
Wie im UK Innovation Strategy-Bericht dargelegt, werden globale Innovationszentren wie das AMRC auch in Zukunft dafür sorgen, dass „Unternehmen aller Größen bahnbrechende neue Produkte entwickeln, effizienter werden und ihr Wachstum voll ausschöpfen können – und zwar sowohl auf dem globalen als auch auf dem heimischen Markt“.
HRSA-Komponenten wie Blisks werden in den nachhaltigen Flugzeugen der Zukunft ebenfalls immer häufiger zu finden sein. Einer der führenden Hersteller in der Luftfahrtindustrie, mit dem Sandvik Coromant im AMRC zusammenarbeitet, entwickelt größere Ultrafan-Triebwerke, um besonders kraftstoffsparende Konstruktionen zu ermöglichen, die mit Biokraftstoffen betrieben werden können. Zu den weiteren wichtigen Innovationen gehören flexible, im Harzinjektionsverfahren hergestellte Schaufeln, die sich bei steigender Drehzahl des Fans entdrallen. Diese Technologien sind in mittelgroßen Flugzeugen wie dem Airbus A321 bereits weit verbreitet.
Weiteren Prognosen zufolge werden mittelgroße Flugzeuge in Zukunft mit Wasserstoff betrieben, während kleinere Inlandsflugzeuge elektrisch fliegen. Inzwischen gibt es viele kleine Start-ups, die kleinere Elektrotriebwerke herstellen – CNBC meldet, dass der Markt für „fliegende Autos“, sogenannte elektrische Flugtaxis, bis 2040 weltweit auf 1,5 Billionen Dollar anwachsen könnte. Und in Zukunft könnte es sogar regionale Landeplätze geben. Passagiere könnten beispielsweise ein Wasserstoffflugzeug besteigen, um in der näheren Umgebung zu reisen, etwa in Europa, oder ein Flugzeug mit Biokraftstoff für Langstreckenflüge in die USA.
Auf Bauteilebene werden diese Anwendungen auf Werkstoffe der nächsten Generation angewiesen sein, für die Sandvik Coromant mit seinen optimierten Werkzeugen und seinem umfassenden Prozess- und Anwendungswissen bestens gerüstet ist. So tragen Sandvik Coromant und auch das AMRC dazu bei, dass ein optimiertes Prozessdesign für die führenden Hersteller der Luftfahrtindustrie, aber auch für Mensch und Umwelt von entscheidender Bedeutung bleibt.
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