MTU mit neuen Fertigungsverfahren beim GTF

Mit dem Geared Turbo Fan (GTF) realisieren Pratt & Whitney und die MTU Aero Engines den Flugzeugantrieb der Zukunft.

Mit ihm werden Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen auf einen Schlag um je 16 Prozent gesenkt und der Lärmteppich um 75 Prozent verringert. Die MTU steuert zum GTF nicht nur innovative Turbinen- und Verdichtertechnologie bei, sondern setzt auch bei Fertigungsverfahren neue Technologien ein: Für die Herstellung von Hochdruckverdichter-Blisks aus Nickel hat sie ein neues Herstellverfahren entwickelt – das Präzise Elektrochemische Abtragen (Precise Electrochemical Machining = PECM). In München ist der Serienbetrieb angelaufen: Dafür wurden von den MTU-Experten vier Anlagen eigens konzipiert, aufgebaut und in Betrieb genommen.

Nickel-Blisk-Rotoren für Verdichter

Ulrich Peters, MTU-Produktionsleiter in München: "Auf den PECM-Anlagen stellen wir Nickel-Blisk-Rotoren für die fünfte und sechste Stufe des Hochdruckverdichters her, der im Getriebefan PurePower®PW1100G-JM der A320neo zum Einsatz kommt.“ Diese Bauteile haben einen Durchmesser von rund 450 Millimetern und geometrisch extrem komplexe Schaufelprofile. Der GTF-Hochdruckverdichter ist der erste zivile Verdichter, der komplett in Blisk-Bauweise entsteht.

Blisks (Blade Integrated Disks) sind Hochtechnologie-Bauteile, bei denen Scheibe und Schaufeln aus einem Stück bestehen. Eine solche Konfiguration verringert Baulänge und Gewicht. Zum Einsatz kommen Blisks in Niederdruck- und Hochdruckverdichtern militärischer und ziviler Anwendungen. Die MTU fertigt solche Bauteile nicht nur für alle Muster der Getriebefan-Familie PW1000G sondern auch für den A318-Antrieb PW6000 sowie die militärischen Triebwerke EJ200 (Eurofighter) und TP400-D6 (A400M).

Deutschlands führender Triebwerkshersteller gehört seit Jahren zu den führenden Herstellern von Blade Integrated Disks. Gefertigt werden Blisks mittels verschiedener Verfahren, darunter das Verbinden von Schaufelblättern und Nabe mit linearem Reibschweißen; mittlere und kleine Titan-Blisk-Schaufeln werden aus dem Vollen gefräst.

Die Herstellung der Schaufelgeometrie von Nickel-Blisks fällt in eine andere Kategorie, denn Nickel ist ein schwer zu bearbeitender Werkstoff. Für ihre Fertigung haben die MTU-Experten das Elektrochemische Abtragen (ECM) weiterentwickelt. Peters: "ECM ist ein Standardverfahren und gehört seit Jahren zu unserem Fertigungsportfolio. Mit PECM können wir noch deutlich präziser arbeiten." Ein Vorteil: Wie sonst beim Elektrochemischen Abtragen üblich kann hier eine Nachbearbeitung der Oberfläche entfallen. "Wir haben die PECM-Anlagen in Eigenregie entwickelt und gebaut, da das neue Verfahren sehr hohe technische Anforderungen stellt, die kaum ein Maschinenhersteller erfüllen kann", ergänzt Herbert Neumeier, Leiter Instandsetzung, Montage und Produktionsservice.

PECM hat mehrere Vorteile

Das PECM-Grundprinzip: Ein metallischer Werkstoff wird unter Verwendung eines Elektrolyten mit Hilfe elektrischen Stroms gezielt aufgelöst. Der zu bearbeitende Werkstoff wird als positiver Pol geschaltet und das dreidimensionale, metallische Abformwerkzeug als negativer Pol. Als Elektrolyt kommt eine wässrige Natriumnitratlösung zum Einsatz, die zwischen Anode und Kathode fließt. Die Flüssigkeit hat drei Funktionen: Sie stellt eine elektrisch leitende Verbindung her, sorgt für den Abtransport des abgetragenen Materials sowie entstehenden Wasserstoffs und kühlt den Prozess.

Die Vorteile von PECM gegenüber zerspanenden Verfahren: Das Bauteil wird nicht berührt, weshalb die Werkzeuge verfahrensbedingt nicht verschleißen. Zudem erzielt das PECM-Verfahren wesentlich höhere Abbildungsgenauigkeiten durch die Bearbeitung mit extrem kleinen Spalten im Mikrometerbereich.

Diese Vorzüge könnten auch bei anderen Bauteilen oder Fertigungsschritten genutzt werden. "Prinzipiell ist das Verfahren für viele Anwendungen geeignet: Kanten verrunden oder zur Herstellung einzelner Lauf- und Leitschaufeln" erläutert Richard Maier, Leiter Produktionsentwicklung und Support bei der MTU in München. "Zunächst konzentrieren wir uns aber auf die Blisk-Herstellung." Ein weiterer Grund: Im Hochdruckverdichterbereich werden die Blattgeometrien schon bald derart komplex sein, dass man sie frästechnisch wirtschaftlich kaum mehr herstellen kann. Maier: "PECM ist hier eine gute Alternative."

Einig ist man sich bei der MTU, dass sich die Blisk-Bauweise immer weiter durchsetzt – in erster Linie im Hochdruckverdichterbereich aber auch darüber hinaus. "Eine Verwendung in Turbinen wird diskutiert", erklärt Maier. Das große Plus: Bei den Integralbauteilen können die Anstellwinkel der Schaufeln so eingestellt werden, dass die jeweilige Stufe effizienter arbeitet. Das bedeutet im Fall des Kompressors, dass die einzelnen Stufen jeweils besser Luft verdichten können und damit höhere Drücke erzeugen. Es werden weniger Stufen für die gleiche Verdichterleistung benötigt. Triebwerke werden kompakter, leichter, instandhaltungsärmer und verbrauchen weni-ger Kraftstoff, was den CO2-Ausstoss senkt und der Umwelt zugutekommt.

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