Zobraziť v EDS

Verbundprojekt: Additive Herstellung und subtraktive Nachbearbeitung einer BLISK vor dem Hintergrund der industriellen Anwendung; Akronym: AMB2S; Teilvorhaben: BLISK-Fertigung mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF-)Verfahren: Abschlussbericht, fachlicher Sachbericht zum Verwendungsnachweis

Uložené v:
Podrobná bibliografia
Názov: Verbundprojekt: Additive Herstellung und subtraktive Nachbearbeitung einer BLISK vor dem Hintergrund der industriellen Anwendung; Akronym: AMB2S; Teilvorhaben: BLISK-Fertigung mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF-)Verfahren: Abschlussbericht, fachlicher Sachbericht zum Verwendungsnachweis
Autori: Boseila, Jonas
Informácie o vydavateľovi: Hannover : Technische Informationsbibliothek, 2025.
Rok vydania: 2025
Predmety: holistic process chain, 600 | Technik, blade integrated disk, PBF-LB/M, additive manufacturing, subtractive manufacturing, quality management
Popis: Antriebskonzepte wie Elektroantriebe, Wasserstoffbrennstoffzellen und Hybridantriebe haben das Potenzial, eine klimaverträglichere Luftfahrt zu ermöglichen, befinden sich jedoch derzeit noch in der Entwicklungsphase. Ihr breiter Einsatz als Antrieb in der Luftfahrt ist daher erst in den nächsten 20-30 Jahren zu erwarten. Ein zentraler Bestandteil aller Konzepte bleibt dabei das Triebwerk. Da die Erhöhung des Gesamtdruckverhältnisses (OPR) des Triebwerks ein Schlüsselfaktor für die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads ist, wird der Hochdruckverdichterabschnitt (HPC) bei immer höheren Drücken und Temperaturen betrieben. Dies erfordert kleinere Kerntriebwerksgrößen und die Verwendung temperaturstabiler Werkstoffe, insbesondere für die hinteren Stufen im Verdichterbereich. In diesem Zusammenhang werden die Bauteildesigns immer komplexer, u. a. mit großen Schaufelverwindungen, hohen Aspektverhältnissen und kleinen Abständen zwischen den Schaufeln. Typischerweise werden diese Bauteile aus hochfesten Superlegierungen wie Inconel 718 (IN718) gefertigt, die den extremen Betriebsbedingungen über die Lebensdauer standhalten müssen. Die Materialeigenschaften wie hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, hohe Härte und hohe Kaltverfestigung dieser Superlegierungen stellen jedoch eine Herausforderung für den konventionellen Produktionsprozess dar. Derzeitige Verfahren zur Herstellung der komplexen Form von Blade Integrated Disks (Blisks) sind kostenintensiv und zeitaufwändig. Hierbei wird ein massiver Block aus IN718 verwendet, in eine angenäherte Form geschmiedet, gemäß AMS5662/3 wärmebehandelt und anschließend in einem komplexen CNC-Fräsprozess nach DIN EN 9133 präzise bearbeitet, um die Rotorblätter und die Rotorwelle in einem Stück zu integrieren. Diese Methode ist zwar bekannt, aber aufgrund der geringen Materialausnutzung (Buy-To-Fly Verhältnis > 10) ein ineffizienter Herstellungsprozess. Darüber hinaus bestehen aufgrund der großen Menge an Material, die bei der Herstellung von Blisks abgetragen werden muss, auch Probleme mit dem Werkzeugverschleiß, längere Bearbeitungszeiten und höhere Werkzeugkosten. Durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren, insbesondere des laserbasierten Pulverbettverfahrens (PBF-LB/M) zur Herstellung von Rohlingen, kann das Buy-To-Fly Verhältnis auf unter 3 gesenkt werden. Die geplanten Entwicklungen und Erforschungen konzentrierten sich auf die ganzheitliche Integration der additiven Fertigung in die bestehende, nach DIN EN 9133 zertifizierte, Prozesskette zur Herstellung hochkritischer Bauteilkomponenten für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Analyse der Auswirkungen dieser Technologie auf alle nachfolgenden Prozessschritte und der Entwicklung entsprechender Anpassungen, um die Effizienz und Umweltfreundlichkeit der industriellen Fertigung von Turbinenschaufelrädern zu steigern, den CO₂-Ausstoß zu reduzieren und die internationale Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig zu stärken. Das Projekt gliederte sich in sechs Hauptarbeitspakete (HAP), die den sechs Schritten der horizontalen Prozesskette der Turbinenschaufelradherstellung entsprechen. Dabei wurde die additive Fertigung als integraler Bestandteil betrachtet und mit der Halbzeug Erzeugung einer konventionellen Prozesskette gleichgesetzt. Im ersten Hauptarbeitspaket (HAP1) wurde zu Beginn eine umfassende Bestandsaufnahme mit allen Partnern durchgeführt. Diese umfasste die Analyse der bestehenden Prozesskette, sowie die erforderliche Anpassung der Bauteilgeometrie an die jeweiligen Prozessschritte. Parallel dazu wurde im HAP6 die ganzheitlich entwickelte Prozesskette vor dem Hintergrund der Luft- und Raumfahrtzertifizierung analysiert. Hierbei erfolgte die Erstellung eines Anforderungsprofiles für die Herstellung von Turbinenschaufelrädern, welches in einer Laufkarte zusammengefasst wurde. Die gleichzeitige Bearbeitung von HAP1 und HAP6 gewährleistete eine enge Verzahnung der Anforderungen der Luftfahrtzertifizierung mit den spezifischen Bedürfnissen der Prozesskette. Auf dieser Grundlage konnten gezielte und aufeinander abgestimmte Maßnahmen für beide Bereiche abgeleitet werden, die den gesamten Projektverlauf optimal unterstützten. Aufbauend darauf wurden in HAP2 mit der Maschinen, Montage und Betriebstechnik GmbH verschiedene Probekörper gefertigt, um die Wechselwirkungen zwischen den Prozessschritten systematisch zu untersuchen und die Prozesse hinsichtlich Materialeinsatz, Verzugs- und Werkzeugverschleißminimierung zu optimieren. In HAP3 wurde die Wärmebehandlungsroute gemäß AMS5662/3 in Zusammenarbeit mit der Oetzbach Edelstahl GmbH entwickelt. Insbesondere galt es hier die ungleichmäßige Gefügestruktur additiv gefertigter Bauteile zu homogenisieren, den Verzug zu minimieren und den durch die Norm vorgegebenen mechanischen Eigenschaften zu entsprechen. In HAP4 wurden in Zusammenarbeit mit Präwest Präzisionswerkstätten GmbH und dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie, die Schnittstellen zwischen der additiven Fertigung und der nachfolgenden subtraktiven Bearbeitung analysiert und optimiert. Im Fokus stand dabei die Bewertung des Einflusses der Stützstrukturen auf die Bauteilqualität, insbesondere in Hinblick auf die Vibrationsminderung zwischen den Schaufeln. Zudem wurde geprüft, ob und in welchem Umfang Stützstrukturen im Zusammenspiel mit dem adaptiven Spannsystem zwischen den Schaufeln überhaupt erforderlich sind (siehe Abbildung 1). Ein weiterer Schwerpunkt insbesondere für die BCT Steuerungs- und V-Systeme GmbH war die Entwicklung einer automatisierten Ausrichtung der Bauteile mithilfe einer parallel erarbeiteten digitalen Prozesskette, um die effiziente Einrichtung des Fräsprogramms zu ermöglichen. Ergänzend dazu wurde von der Innoclamp GmbH ein adaptives Spannsystem entwickelt, welches eine präzise und flexible Bearbeitung der Bauteile gewährleistet. Die Qualitätssicherung in HAP5 wurde über die Projektlaufzeit begleitend von der TPW Prüfzentrum GmbH bearbeitet, um Methoden zur Sicherung der hohen Qualitätskriterien vor dem Hintergrund der Luft- und Raumfahrtzertifizierung abzuleiten und die optimale Wärmebehandlung über Zugversuche auszuwählen. Weiterhin wurde die zerstörungsfreie Bauteilprüfung zur Identifizierung von innenliegenden, prozessbedingten Bauteilfehlern untersucht. Abschließend wurden Dauerfestigkeitsversuche in Auftrag gegeben, um die Ermüdungseigenschaften der additiv gefertigten Bauteile abzuschätzen. Über die Projektlaufzeit konnten im Konsortium mehrere Blisks mit unterschiedlichen Stützstrukturen getestet werden. Die langen Verstärkungsstrukturen zwischen den Schaufeln weisen im Vergleich zu den kurzen Strukturen einen geringeren Werkzeugverschleiß, insbesondere hinsichtlich der Ausbrüche, und damit eine höhere Standzeit auf (Werkzeugverbrauch von 5 gegenüber 12). Die langen Verstärkungsstrukturen führen zu einer geringeren Rauheit (Mindestwert Ra 0,139 µm) und kleineren Blockübergängen auf den Schaufeloberflächen im Vergleich zu den kurzen Verstärkungsstrukturen (Mindestwert Ra 0,159 µm) bei der subtraktiven Bearbeitung. Der Bearbeitungsprozess hat gezeigt, dass das neu entwickelte Spannsystem sehr gut funktioniert und die durch den Zahneingriff des Bearbeitungswerkzeugs erzeugten Schwingungen gedämpft werden. Im Hinblick auf die Oberflächenbeschaffenheit der bearbeiteten Turbinenschaufeln führt das Spannsystem jedoch zu einer höheren Rauheit (Mindestwert 0,265 µm). Darüber hinaus kann durch den Einsatz des Spannsystems Material eingespart werden (keine Verstärkungsstrukturen erforderlich) und somit auch Prozesszeit eingespart werden. Betrachtet man die Maßhaltigkeit in Abhängigkeit von der Verstärkungsstruktur, so kann kein signifikanter Unterschied zwischen diesen Strukturen festgestellt werden. Spezifisch die Machbarkeitsstudie zur Luftfahrtzertifizierung ergibt folgende Schlussfolgerungen: - Die grundlegenden Anforderungen wie Bauteilqualität (mechanische Eigenschaften und Maßhaltigkeit), Prozesswiederholbarkeit, Rückverfolgbarkeit und Qualifizierung gelten sowohl für das additive als auch für das konventionelle Herstellungsverfahren. Diese sind in den Spezifikationen des OEM in Anlehnung an die bestehenden Standards zu definieren. - Der Produktionsprozess der additiven Fertigung unterscheidet sich erheblich von dem der konventionellen Fertigung. Aufgrund des unterschiedlichen Ausgangsmaterials (Pulver für die additive Fertigung und gegossener Rohling für die konventionelle Fertigung) müssen neue Maßnahmen zur Überprüfung der Pulverqualität ergriffen werden. Dazu gehören die Prüfung von Fließfähigkeit, Partikelgrößenverteilung, Feuchtigkeit, Morphologie, chemischer Zusammensetzung und Schüttdichte. - Aufgrund der großen Anzahl von Einflussfaktoren während des Herstellungsprozesses, der hohen Komplexität der additiven Fertigungssysteme (lokale Prozessbedingungen, optisches System) und des kleinen Produktionsmaßstabs stellt die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf verschiedene Maschinensysteme sowie die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse auf einem einzelnen System eine Herausforderung dar. Im Gegensatz zur konventionellen Prozesskette müssen alle einzelnen PBF-LB/M-Maschinen als Teil der additiven Prozesskette zertifiziert werden, sobald die gefertigten Bauteile den Anforderungen entsprechen. Die Zertifizierung anderer 5-Achs-Fräsmaschinen des gleichen Typs ist aufgrund ihrer Ähnlichkeit bei der konventionellen Fertigung mit einem geringeren Aufwand verbunden. - Während in der konventionellen Fertigung ein Bauteil pro Fertigungslos für die zerstörende Bauteilprüfung nach der Wärmebehandlung ausgewählt wird, ist die Definition der Losgröße in der PBF-LB/M-Prozesskette wesentlich komplizierter. Die Losgröße für den AM-Prozess kann an das Wartungsintervall oder die Wärmebehandlung angepasst werden. - Es wurden Prüfverfahren und Prüfkörper identifiziert, die notwendig sind, um die Anforderungen für die Zertifizierung in der Luft- und Raumfahrt zu erfüllen. Diese lassen sich den zerstörenden und zerstörungsfreien Verfahren zuordnen. Aus dem neu entwickelten Prüfplan wurde ein Baujob Design abgeleitet.
Druh dokumentu: Report
Jazyk: German
DOI: 10.34657/19828
Prístupové číslo: edsair.doi...........dce48b6c0cf5c9e2fd075d43f43c5cb9
Databáza: OpenAIRE
Popis
Abstrakt:Antriebskonzepte wie Elektroantriebe, Wasserstoffbrennstoffzellen und Hybridantriebe haben das Potenzial, eine klimaverträglichere Luftfahrt zu ermöglichen, befinden sich jedoch derzeit noch in der Entwicklungsphase. Ihr breiter Einsatz als Antrieb in der Luftfahrt ist daher erst in den nächsten 20-30 Jahren zu erwarten. Ein zentraler Bestandteil aller Konzepte bleibt dabei das Triebwerk. Da die Erhöhung des Gesamtdruckverhältnisses (OPR) des Triebwerks ein Schlüsselfaktor für die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads ist, wird der Hochdruckverdichterabschnitt (HPC) bei immer höheren Drücken und Temperaturen betrieben. Dies erfordert kleinere Kerntriebwerksgrößen und die Verwendung temperaturstabiler Werkstoffe, insbesondere für die hinteren Stufen im Verdichterbereich. In diesem Zusammenhang werden die Bauteildesigns immer komplexer, u. a. mit großen Schaufelverwindungen, hohen Aspektverhältnissen und kleinen Abständen zwischen den Schaufeln. Typischerweise werden diese Bauteile aus hochfesten Superlegierungen wie Inconel 718 (IN718) gefertigt, die den extremen Betriebsbedingungen über die Lebensdauer standhalten müssen. Die Materialeigenschaften wie hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, hohe Härte und hohe Kaltverfestigung dieser Superlegierungen stellen jedoch eine Herausforderung für den konventionellen Produktionsprozess dar. Derzeitige Verfahren zur Herstellung der komplexen Form von Blade Integrated Disks (Blisks) sind kostenintensiv und zeitaufwändig. Hierbei wird ein massiver Block aus IN718 verwendet, in eine angenäherte Form geschmiedet, gemäß AMS5662/3 wärmebehandelt und anschließend in einem komplexen CNC-Fräsprozess nach DIN EN 9133 präzise bearbeitet, um die Rotorblätter und die Rotorwelle in einem Stück zu integrieren. Diese Methode ist zwar bekannt, aber aufgrund der geringen Materialausnutzung (Buy-To-Fly Verhältnis > 10) ein ineffizienter Herstellungsprozess. Darüber hinaus bestehen aufgrund der großen Menge an Material, die bei der Herstellung von Blisks abgetragen werden muss, auch Probleme mit dem Werkzeugverschleiß, längere Bearbeitungszeiten und höhere Werkzeugkosten. Durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren, insbesondere des laserbasierten Pulverbettverfahrens (PBF-LB/M) zur Herstellung von Rohlingen, kann das Buy-To-Fly Verhältnis auf unter 3 gesenkt werden. Die geplanten Entwicklungen und Erforschungen konzentrierten sich auf die ganzheitliche Integration der additiven Fertigung in die bestehende, nach DIN EN 9133 zertifizierte, Prozesskette zur Herstellung hochkritischer Bauteilkomponenten für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Analyse der Auswirkungen dieser Technologie auf alle nachfolgenden Prozessschritte und der Entwicklung entsprechender Anpassungen, um die Effizienz und Umweltfreundlichkeit der industriellen Fertigung von Turbinenschaufelrädern zu steigern, den CO₂-Ausstoß zu reduzieren und die internationale Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig zu stärken. Das Projekt gliederte sich in sechs Hauptarbeitspakete (HAP), die den sechs Schritten der horizontalen Prozesskette der Turbinenschaufelradherstellung entsprechen. Dabei wurde die additive Fertigung als integraler Bestandteil betrachtet und mit der Halbzeug Erzeugung einer konventionellen Prozesskette gleichgesetzt. Im ersten Hauptarbeitspaket (HAP1) wurde zu Beginn eine umfassende Bestandsaufnahme mit allen Partnern durchgeführt. Diese umfasste die Analyse der bestehenden Prozesskette, sowie die erforderliche Anpassung der Bauteilgeometrie an die jeweiligen Prozessschritte. Parallel dazu wurde im HAP6 die ganzheitlich entwickelte Prozesskette vor dem Hintergrund der Luft- und Raumfahrtzertifizierung analysiert. Hierbei erfolgte die Erstellung eines Anforderungsprofiles für die Herstellung von Turbinenschaufelrädern, welches in einer Laufkarte zusammengefasst wurde. Die gleichzeitige Bearbeitung von HAP1 und HAP6 gewährleistete eine enge Verzahnung der Anforderungen der Luftfahrtzertifizierung mit den spezifischen Bedürfnissen der Prozesskette. Auf dieser Grundlage konnten gezielte und aufeinander abgestimmte Maßnahmen für beide Bereiche abgeleitet werden, die den gesamten Projektverlauf optimal unterstützten. Aufbauend darauf wurden in HAP2 mit der Maschinen, Montage und Betriebstechnik GmbH verschiedene Probekörper gefertigt, um die Wechselwirkungen zwischen den Prozessschritten systematisch zu untersuchen und die Prozesse hinsichtlich Materialeinsatz, Verzugs- und Werkzeugverschleißminimierung zu optimieren. In HAP3 wurde die Wärmebehandlungsroute gemäß AMS5662/3 in Zusammenarbeit mit der Oetzbach Edelstahl GmbH entwickelt. Insbesondere galt es hier die ungleichmäßige Gefügestruktur additiv gefertigter Bauteile zu homogenisieren, den Verzug zu minimieren und den durch die Norm vorgegebenen mechanischen Eigenschaften zu entsprechen. In HAP4 wurden in Zusammenarbeit mit Präwest Präzisionswerkstätten GmbH und dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie, die Schnittstellen zwischen der additiven Fertigung und der nachfolgenden subtraktiven Bearbeitung analysiert und optimiert. Im Fokus stand dabei die Bewertung des Einflusses der Stützstrukturen auf die Bauteilqualität, insbesondere in Hinblick auf die Vibrationsminderung zwischen den Schaufeln. Zudem wurde geprüft, ob und in welchem Umfang Stützstrukturen im Zusammenspiel mit dem adaptiven Spannsystem zwischen den Schaufeln überhaupt erforderlich sind (siehe Abbildung 1). Ein weiterer Schwerpunkt insbesondere für die BCT Steuerungs- und V-Systeme GmbH war die Entwicklung einer automatisierten Ausrichtung der Bauteile mithilfe einer parallel erarbeiteten digitalen Prozesskette, um die effiziente Einrichtung des Fräsprogramms zu ermöglichen. Ergänzend dazu wurde von der Innoclamp GmbH ein adaptives Spannsystem entwickelt, welches eine präzise und flexible Bearbeitung der Bauteile gewährleistet. Die Qualitätssicherung in HAP5 wurde über die Projektlaufzeit begleitend von der TPW Prüfzentrum GmbH bearbeitet, um Methoden zur Sicherung der hohen Qualitätskriterien vor dem Hintergrund der Luft- und Raumfahrtzertifizierung abzuleiten und die optimale Wärmebehandlung über Zugversuche auszuwählen. Weiterhin wurde die zerstörungsfreie Bauteilprüfung zur Identifizierung von innenliegenden, prozessbedingten Bauteilfehlern untersucht. Abschließend wurden Dauerfestigkeitsversuche in Auftrag gegeben, um die Ermüdungseigenschaften der additiv gefertigten Bauteile abzuschätzen. Über die Projektlaufzeit konnten im Konsortium mehrere Blisks mit unterschiedlichen Stützstrukturen getestet werden. Die langen Verstärkungsstrukturen zwischen den Schaufeln weisen im Vergleich zu den kurzen Strukturen einen geringeren Werkzeugverschleiß, insbesondere hinsichtlich der Ausbrüche, und damit eine höhere Standzeit auf (Werkzeugverbrauch von 5 gegenüber 12). Die langen Verstärkungsstrukturen führen zu einer geringeren Rauheit (Mindestwert Ra 0,139 µm) und kleineren Blockübergängen auf den Schaufeloberflächen im Vergleich zu den kurzen Verstärkungsstrukturen (Mindestwert Ra 0,159 µm) bei der subtraktiven Bearbeitung. Der Bearbeitungsprozess hat gezeigt, dass das neu entwickelte Spannsystem sehr gut funktioniert und die durch den Zahneingriff des Bearbeitungswerkzeugs erzeugten Schwingungen gedämpft werden. Im Hinblick auf die Oberflächenbeschaffenheit der bearbeiteten Turbinenschaufeln führt das Spannsystem jedoch zu einer höheren Rauheit (Mindestwert 0,265 µm). Darüber hinaus kann durch den Einsatz des Spannsystems Material eingespart werden (keine Verstärkungsstrukturen erforderlich) und somit auch Prozesszeit eingespart werden. Betrachtet man die Maßhaltigkeit in Abhängigkeit von der Verstärkungsstruktur, so kann kein signifikanter Unterschied zwischen diesen Strukturen festgestellt werden. Spezifisch die Machbarkeitsstudie zur Luftfahrtzertifizierung ergibt folgende Schlussfolgerungen: - Die grundlegenden Anforderungen wie Bauteilqualität (mechanische Eigenschaften und Maßhaltigkeit), Prozesswiederholbarkeit, Rückverfolgbarkeit und Qualifizierung gelten sowohl für das additive als auch für das konventionelle Herstellungsverfahren. Diese sind in den Spezifikationen des OEM in Anlehnung an die bestehenden Standards zu definieren. - Der Produktionsprozess der additiven Fertigung unterscheidet sich erheblich von dem der konventionellen Fertigung. Aufgrund des unterschiedlichen Ausgangsmaterials (Pulver für die additive Fertigung und gegossener Rohling für die konventionelle Fertigung) müssen neue Maßnahmen zur Überprüfung der Pulverqualität ergriffen werden. Dazu gehören die Prüfung von Fließfähigkeit, Partikelgrößenverteilung, Feuchtigkeit, Morphologie, chemischer Zusammensetzung und Schüttdichte. - Aufgrund der großen Anzahl von Einflussfaktoren während des Herstellungsprozesses, der hohen Komplexität der additiven Fertigungssysteme (lokale Prozessbedingungen, optisches System) und des kleinen Produktionsmaßstabs stellt die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf verschiedene Maschinensysteme sowie die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse auf einem einzelnen System eine Herausforderung dar. Im Gegensatz zur konventionellen Prozesskette müssen alle einzelnen PBF-LB/M-Maschinen als Teil der additiven Prozesskette zertifiziert werden, sobald die gefertigten Bauteile den Anforderungen entsprechen. Die Zertifizierung anderer 5-Achs-Fräsmaschinen des gleichen Typs ist aufgrund ihrer Ähnlichkeit bei der konventionellen Fertigung mit einem geringeren Aufwand verbunden. - Während in der konventionellen Fertigung ein Bauteil pro Fertigungslos für die zerstörende Bauteilprüfung nach der Wärmebehandlung ausgewählt wird, ist die Definition der Losgröße in der PBF-LB/M-Prozesskette wesentlich komplizierter. Die Losgröße für den AM-Prozess kann an das Wartungsintervall oder die Wärmebehandlung angepasst werden. - Es wurden Prüfverfahren und Prüfkörper identifiziert, die notwendig sind, um die Anforderungen für die Zertifizierung in der Luft- und Raumfahrt zu erfüllen. Diese lassen sich den zerstörenden und zerstörungsfreien Verfahren zuordnen. Aus dem neu entwickelten Prüfplan wurde ein Baujob Design abgeleitet.
DOI:10.34657/19828