Bij het ontwerp van vliegtuigmotoren staat op de voorgrond dat vliegtuigen efficiënter moeten worden. De ontwikkelaars moeten zich bij het ontwerp van de onderdelen echter ook richten op een economische productie. Een nieuwe procesketen levert meer ontwerpvrijheid op en maakt betere productie- en reparatieprocessen mogelijk. Onderzoekers van Fraunhofer-Instituten in Aken hebben met behulp van nieuwe technologieën diverse onderdelen voor vliegtuigmotoren geproduceerd of gerepareerd.
Volgens prognoses zal het vliegverkeer in de toekomst verder toenemen. Het milieu mag echter niet extra worden belast, dus moeten de vliegtuigen met minder kerosine hun doel bereiken en minder schadelijke stoffen uitstoten. Verder moeten bij de productie materialen en energiebronnen worden bespaard.
Volledig vrij ontwerp
Bij het ontwerp van componenten voor vliegtuigmotoren moeten ingenieurs er rekening mee houden dat de ontworpen onderdelen ook kunnen worden geproduceerd. Het motto luidt dan: Design for Manufacture. Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) kunnen dit paradigma nu omdraaien en in plaats daarvan ‘Manufacture for Design’ aanbieden.
De wetenschappers zouden onderdelen kunnen produceren, die tot nu toe niet te maken waren. Dat is mogelijk met Selective Laser Melting (SLM). Daarbij sturen de onderzoekers een laserstraal over een poederbed en tekenen daarin de vorm van het onderdeel. Op de plaats waar de laser het poeder raakt, smelt dit eerst en stolt daarna tot een vaste massa. Zo ontstaat het onderdeel laag na laag. Tot nu toe werden veel onderdelen door frezen geproduceerd. Dit gaat gepaard met veel materiaal verlies en het levert beperkingen op bij de productie van bepaalde vormen.
Efficiëntere vliegtuigmotoren
Onderzoekers van Fraunhofer-ILT werken nu samen met collega’s van Fraunhofer-Institutfür Produktionstechnik (IPT) aan de integratie van de productie in een continue procesketen. Om aan te tonen wat de nieuwe procesketen aan kan, hebben ze een schoepencombinatie geproduceerd die bestaat uit zes dubbele schoepen.
De schoepen konden tot nog toe slechts paarsgewijs als Twinblades worden vervaardigd. Met het nieuwe systeem kan men ze nu beduidend eenvoudiger en sneller monteren. De wetenschappers hebben nu ook de voet van de schoepencombinatie geoptimaliseerd. Productietechnisch gezien was dit deel massief, maar nu is een honingraatstructuur mogelijk. Het complete onderdeel wordt zodoende circa 30% lichter. De onderzoekers combineren daartoe frezen en SML.
De onderzoekwerkzaamheden zijn een deelproject van het innovatiecluster Adaptive Produktion für Ressourceneffizienz in Energie und Mobilität (AdaM). De Fraunhofer-instituten bundelen hun competenties samen met 21 industriële partners. Het doel is nieuwe concepten voor turbinemachines (onder andere voor vliegtuigmotoren) technisch aan te passen, zodat ze de energie efficiënter benutten. Bovendien moeten CO2 emissies lager worden en op grondstoffen worden bespaard.
Ook reparaties
Ook reparaties zijn onderdeel van de levenscyclus. Binnen het innovatiecluster hebben de onderzoekers zich daarom ook gericht op reparatie en onderhoud van schoepenwielen voor turbines. Voorheen moesten de technici deze schoepen met de hand repareren, terwijl nu het proces compleet is geautomatiseerd. Hierdoor kunnen ze de bewerkingstijd minimaal halveren. Nog belangrijker is dat het proces reproduceerbaar is en de kwaliteit van de reparatie is gegarandeerd.
Een belangrijke stap in de automatisering was de ontwikkeling van het CAx-Framework, software die het mogelijk maakt om verschillende reparatietechnologieën vanaf één platform te leveren. Een beschadigde schoep wordt eerst meettechnisch in kaart gebracht. Een freesmachine bewerkt het defect, waarna een laser de schoep laag voor laag met behulp van SLM weer opbouwt. Voor gasturbines hebben de onderzoekers dit proces al geïmplementeerd; nu kunnen ze het ook uitbreiden voor de turbineschoepen van een motor.
De onderzoekers hebben ook al een gerepareerde helikopterschoep van 6 cm en de 3 m lange schoep van een Transall-toestel gerepareerd. Ook hebben ze nieuwe productieprocessen ontwikkeld voor ‘blade integrated disks’ (Blisks): Hierbij gaat het om zwaar belaste compressortrappen, waarbij de aparte schoepen uit één stuk gefreesd worden. Dit resulteert in aerodynamische verbeterde en lichtere onderdelen.