Entwicklung innovativer Produktionsprozesse für Triebwerksbauteile

Leichtbau kann die Effizienz von Triebwerken steigern und so zur Emissionsreduktion beitragen. Gemeinsam mit TITAL GmbH, Howmet Engine Products entwickelt Access ein innovatives Niederdruckgießverfahren zur Herstellung von Verdichterringen aus einem neuartigen partikelverstärkten Werkstoff, um Gewichtseinsparungen bis zu 40 % gegenüber konventionellen Bauteilen zu realisieren.

Studienübergreifend wird davon ausgegangen, dass der Luftverkehr in den nächsten Jahren das Vor-Corona-Niveau übersteigen wird. Die Klimaziele können daher nur erreicht werden, wenn die Emissionen der Fluggeräte schnellstmöglich deutlich sinken. Hierfür bieten sich technologisch verschiedene Ansätze von Sustainable Aviation Fuels bis zu hybrid-elektrischen Antriebskonzepten an. Zugleich eröffnet auch der Einsatz neuer Werkstoffe Möglichkeiten für Gewichtseinsparungen bzw. erweiterte Einsatzbedingungen. Exemplarisch wird dies aktuell am Entwicklungsprozess eines Verdichterrings aus einer neuartigen Aluminium-Legierung aufgezeigt.

Geometrisch komplexe Triebwerksbauteile wie diese Intermediate Casings (IMC), werden aufgrund der thermischen und mechanischen Einsatzbelastungen in der Regel im Feinguss aus Titanlegierungen hergestellt. Der neuartige Aluminiumwerkstoff A205 bietet als Alternative aufgrund des um 40 % geringeren Gewichts gegenüber Titan enormes Leichtbaupotential und erreicht gleichzeitig die nach AMS 4471 geforderten Kennwerte.

Durch den Anteil von ca. 5 % TiB2-Partikeln ist der Werkstoff jedoch eine gießtechnische Herausforderung. So führt der aus diesen Partikeln resultierende hohe Feststoffanteil u.a. zu einer 2,5-fach höheren Viskosität als bei üblichen Aluminiumgusslegierungen. Aufgrund der anspruchsvollen Gießbarkeit ist trotz des hohen Bedarfs weltweit bisher keine Feingießerei qualifiziert, Verdichterringe aus A205 zu liefern.

Zusammenarbeit
Um das Leichtbaupotential der Legierung nutzbar zu machen wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo ein Projekt in Kooperation von Industrie und Forschungseinrichtung durchgeführt. Das übergeordnete Ziel ist, Tital für die effiziente und ressourcenschonende Fertigung von IMC aus A205 zu befähigen. Im Rahmen des Projektes wird dafür eine innovative Prozessroute entwickelt, die den hohen gießtechnologischen Anforderungen gerecht wird.

Um die benötigte Gießanlage anforderungsgemäß auszulegen wurden umfangreiche Simulationen durchgeführt. Auf Basis der gegebenen Anforderungen kann so ein robustes Prozessfenster innerhalb der verfügbaren Prozessgrenzen identifiziert werden.

Basierend auf den ermittelten Parametern und definierten Anforderungen wurde gemeinsam mit Tital und dem Anlagenhersteller Fill ein Prototyp einer Niederdruckgießanlage für den Feinguss von IMC aus A205 entwickelt. Diese Anlage weist einige Besonderheiten auf. So ist z.B. auch der Guss in keramische Formschalen möglich, was eine deutlich höhere Gestaltungsfreiheit erlaubt. Weiterhin sind spezielle Kühlkonzepte sowie eine magnetische Spule zur definierten Schmelzführung integriert.

Anlageninbetriebnahme
Die gemeinsam mit den Industriepartnern entwickelte Anlage wurde von der Fa. Fill im TechCenter errichtet. Das TechCenter fokussiert auf 4200 qm Fläche die Entwicklung von industriell verwertbaren Verfahren zur gießtechnischen Herstellung von Bauteilen bis hin zur Serienreife. Aufgrund der starken Ausrichtung auf Luftfahrtprodukte arbeitet das TechCenter nach dem Qualitätsstandard EN 9100.

Seit Januar 2022 befindet sich die Niederdruckgießanlage im regulären Betrieb. Durch das langjährige Know-How in der Entwicklung von Gießprozessen sowie die weitreichenden Vorarbeiten in der Simulation konnten schon in der Inbetriebnahmephase Erkenntnisse für den weiteren Projektverlauf hinsichtlich der Einstellung der Kühlbedingungen sowie der Parameter des magnetischen Felds zur Schmelzeberuhigung gewonnen werden. Die Projektpartner planen, bis Februar 2023 weitere Herausforderungen in der Entwicklung des neuen Fertigungsprozesses gelöst zu haben. Für die Zukunft bietet die Prototypen-Anlage das Potential, weitere innovative Fertigungsprozesse für Luftfahrtkomponenten aus Leichtbauwerkstoffen dem Marktbedarf entsprechend zu entwickeln.

Ausblick
Anhand des Beispiels wurde gezeigt wie durch Zusammenarbeit zwischen Zulieferer, Anlagenbauer und Forschungseinrichtung zielgerichtet Fertigungsprozesse für Komponenten emissionsarmer Triebwerke entwickelt werden können. Durch eine klare Fokussierung auf den industriellen Bedarf wird nicht nur eine schnelle Entwicklungszeit realisiert, sondern zugleich auch der Transfer in die industrielle Fertigung berücksichtigt.

Zukünftig wird Access den Weg der industrienahen Entwicklung für die Luftfahrtindustrie weiter intensivieren. Eine wichtige Säule hierfür ist die Gründung des Production Launch Center Aviation (PLCA) in Aachen Merzbrück im Rahmen des Strukturwandels des Rheinischen Reviers gemeinsam mit dem Fraunhofer IPT. Das PLCA zielt darauf, die Lücke zwischen Forschung und Anwendung im Bereich der Herstellung effizienter Komponenten für die Luftfahrt zu schließen. Das Konzept wurde von der Zukunftsagentur für den Strukturwandel im Rheinischen Revier bereits mehrfach ausgezeichnet.

Das Projekt VeriAl (20T1917B) wird im Rahmen der LuFo VI-1 Initiative durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.