TURN UP: GE arbeitet an größeren und leichteren Additivteilen

Der Europäische Green Deal der EU sieht vor, die Verkehrsemissionen bis 2050 um 90 % gegenüber dem Stand von 1990 zu senken, wobei der Luftverkehr eine wichtige Rolle spielt. Politische Maßnahmen und Anstrengungen der Branche haben seit 2005 zu einer höheren Treibstoffeffizienz pro Passagier geführt. Zu den Prioritäten für die Zukunft gehören finanzielle und regulatorische Maßnahmen zur Förderung eines emissionsarmen Luftverkehrs sowie die dringende Entwicklung von sauberen Flugzeugrahmen, neuen Flugzeugtriebwerken und Antriebssystemen sowie nachhaltigem Flugkraftstoff.

Eine wichtige laufende Forschungsinitiative zur Entwicklung dieser Art von treibstoffeffizienteren Luftverkehrstechnologien für den frühestmöglichen Einsatz ist das von der Europäischen Kommission und der europäischen Luft- und Raumfahrtindustrie finanzierte Programm Clean Sky 2, das jetzt in seine Endphase eintritt. Sein Nachfolger Clean Aviation wurde im Dezember 2021 gestartet.

Das Programm Clean Sky 2 setzt sich aus wichtigen Akteuren der Industrie und Fachleuten sowie aus akademischen Forschungseinrichtungen in ganz Europa zusammen. Im Rahmen des Programms werden Technologien integriert, demonstriert und validiert, die in der Lage sind, die CO2-Emissionen sowie die Stickoxid- (NOx) und Lärmemissionen um bis zu 30 % im Vergleich zu Flugzeugen des Stands der Technik von 2014 zu reduzieren. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung einer starken und weltweit wettbewerbsfähigen Luftfahrtindustrie und Lieferkette in Europa.

Das in München ansässige Team von GE Aerospace Advanced Technology (GE AAT) leitet drei Kernpartnerschaften im Clean Sky 2-Programm, um die Triebwerkshardware, die Vorteile, das Design und den Herstellungsprozess zu ermitteln und in Verbindung mit den Programmzielen eng mit den GE Aerospace-Standorten in Italien, der Tschechischen Republik, Polen und der Türkei sowie mit externen Partnern zusammenzuarbeiten.

Neue Wege für große additiv gefertigte Metallteile

Eine der von GE AAT München geleiteten Partnerschaften ist das Turbinentechnologieprojekt (TURN), das ins Leben gerufen wurde, um die technologische Reifung für zukünftige Flugzeugtriebwerke zu beschleunigen.

Als Reaktion auf eine Clean Sky 2-Ausschreibung wurde 2018 ein Konsortium aus der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH), der Technischen Universität Dresden (TUD) und dem Technologieunternehmen Autodesk ausgewählt, um GE AAT München bei der Entwicklung und Herstellung eines großen additiv gefertigten Metallbauteils zu unterstützen – dem Advanced Additive Integrated Turbine Centre Frame (TCF)-Gehäuse – dem MONACO-Projekt. Dies umfasste auch die Entwicklung und Herstellung von Coupons und kritischen Teilen, die Validierung und Qualifizierung sowie die endgültige Lieferung des 3D-gedruckten Metallgehäuses in Originalgröße.

Nach fast sechs Jahren Forschung und Entwicklung wurde das großformatige TCF-Gehäuse, das mit der Direct Metal Laser Melting (DMLM)-Technologie von GE Additive aus der Nickellegierung 718 hergestellt wird, kürzlich vom Konsortium vorgestellt. Das TCF-Gehäuse ist eines der größten additiv gefertigten Teile für die Luft- und Raumfahrtindustrie.

Das additiv gefertigte TCF-Gehäuse ist für Schmalrumpf-Triebwerke konzipiert, bei denen das Teil einen Durchmesser von etwa einem Meter oder mehr hat. Diese einteilige Konstruktionslösung zur Herstellung dieser Art von großformatigen Triebwerksteilen mit geringeren Kosten, geringerem Gewicht und kürzeren Fertigungszeiten stellt einen Wettbewerbsvorteil dar.

“Wir wollten das Gewicht des Teils um 25 % reduzieren, aber auch die Druckverluste des Sekundärluftstroms verbessern und die Anzahl der Teile stark reduzieren, um die Wartung zu verbessern”, sagte Dr. Günter Wilfert, Technologie- und Betriebsleiter von GE AAT München.

“Das Team kann stolz auf die Ergebnisse sein. Mit dem abschließenden Druck des kompletten Gehäuses konnten sie die Werte nachweisen. Diese Ziele wurden erreicht und übertroffen. Am Ende konnten wir das Gewicht um ~30 % reduzieren. Das Team verkürzte auch die Fertigungszeit von neun Monaten auf zweieinhalb Monate, also um etwa 75 %. Mehr als 150 Einzelteile, aus denen ein herkömmliches Turbinenzwischengehäuse besteht, wurden in einem einteiligen Design zusammengefasst”, fügte er hinzu.

Um sicherzustellen, dass alle technischen Anforderungen erfüllt wurden, einschließlich eines Leistungsvorteils von 0,2 % beim spezifischen Kraftstoffverbrauch, wurde das Design von Experten aus dem gesamten Team auf Technology Readiness Level (TRL) und Manufacturing Readiness Level (MRL) 4 geprüft. Außerdem wurden mehrere Fertigungsversuche durchgeführt, um die Hardwarequalität zu erfüllen und die Herstellbarkeit von MRL4 zu berücksichtigen.

Geringere Abhängigkeit von Gussteilen und zukünftige Anwendungen

Abgesehen von den Vorteilen in Bezug auf Umwelt, Leistung, Gewicht, Kosten und Abfallvermeidung, die dieses neue Bauteil mit sich bringt, wird die vielleicht größte Auswirkung die Unterbrechung der Lieferkette in allen Branchen sein, die bei der herkömmlichen Herstellung von Gussteilen mit Problemen zu kämpfen haben.

Das Turbinenzwischengehäuse, ein fester Bestandteil moderner Turbofan-Flugzeugtriebwerke, dient als Kanal für das Heißgas, das von der Hochdruckturbine in die Niederdruckturbine strömt. Üblicherweise werden sie durch Gießen und/oder Schmieden hergestellt, gefolgt von weiteren Bearbeitungsschritten.

Aufgrund der strengen Anforderungen an flugtaugliche Hardware in der stark regulierten Luft- und Raumfahrtindustrie ist die Zahl der zugelassenen Anbieter für Guss- und Schmiedeteile sehr begrenzt. Dies führt zu langen Vorlaufzeiten und hohen Kosten. Diese Herausforderungen und die Tatsache, dass es sich bei einem Turbinenzwischengehäuse nicht um ein rotierendes Teil handelt, machten es zu einem idealen Kandidaten für die additive Fertigung.

Diese neue Lösung für die additive Fertigung von Triebwerksrahmen ist nicht auf Turbinenzwischengehäuse für künftige Triebwerke beschränkt, sondern kann auch für bestehende und ältere Triebwerksrahmen verwendet werden. Die vorgeschlagenen Konstruktionsmerkmale können auch auf hintere Turbinenrahmen (TRF), Niederdruckturbinengehäuse und mittlere Turbinenrahmen (TMF) übertragen und/oder skaliert werden.

“Die Leute wollen bereits wissen, wie dieses Teil hergestellt wurde und wie sich das Design und die Technologie auf ihre Branche übertragen lassen. Unsere Strategie bestand von Anfang an darin, sicherzustellen, dass das Bauteildesign den Anforderungen der Luft- und Raumfahrttechnik und den Zielen von Clean Sky 2 entspricht, sich aber auch leicht auf andere Triebwerke in ähnlichen Segmenten sowie auf angrenzende Branchen und Sektoren übertragen lässt”, so Ashish Sharma, leitender Ingenieur im GE AAT-Team.

“Die additive Fertigung bietet ein enormes Potenzial zur Gewichtsreduzierung, zur Verbesserung der Funktionalität von Komponenten und zur erheblichen Reduzierung der Anzahl von Teilen in komplexen Baugruppen, wodurch die Energieeffizienz von Flugzeugen direkt erhöht und die Montagekosten und -zeiten reduziert werden können”, sagte Christina-Maria Margariti, Projektleiterin für wasserstoffbetriebene Flugzeuge bei Clean Aviation.

“Das Clean-Aviation-Programm unterstützt im Einklang mit dem EU-Green-Deal-Ziel der Kohlenstoffneutralität bis 2050 die Einführung bahnbrechender neuer Produkte bis 2035, mit dem Ziel, 75 % der Flugzeugflotte bis 2050 zu ersetzen. Eine schnellere Markteinführung und höhere Produktionsraten werden daher entscheidend sein, um diese ehrgeizigen Umweltziele zu erreichen”, fügte sie hinzu.

Industrielle und akademische Zusammenarbeit

Das Team des Konsortiums betrachtet seine Arbeit und das Bauteil selbst als potenziell bahnbrechend für den Einsatz der additiven Fertigung von Metallen für die künftige Produktion von Großteilen für Triebwerke von Verkehrsflugzeugen.
Sharma hat das Projekt und das Konsortium von Anfang an geleitet.

“Zunächst schien die Konstruktion fast unmöglich zu sein, aber durch den Einsatz fortschrittlicher additiver Technologien und das Überschreiten von Grenzen haben wir ein Design erreicht, das nur in unserer Vorstellung existierte und weit von einer Realität entfernt war, an die wir nie zuvor gedacht hatten”, sagte Sharma.

Sharma sagte, dies sei eine enorme Leistung und spiegele von Anfang an das Talent und die Tatkraft der Mitglieder des Konsortiums wider. “Das Team ist klug. Indem wir alle an einen Tisch brachten und unkonventionelle Unterstützungsstrukturen für den Bau einrichteten, konnten wir nicht nur die Hardware, sondern auch unsere Prozesse optimieren. Es war wunderbar zu sehen, wie alle mit unterschiedlichen Hintergründen zusammenarbeiteten. Dieser Aspekt war einzigartig.

Die Einbindung der Hochschulen war für den Gesamterfolg des Projekts entscheidend, da sie durch die enge Zusammenarbeit mit der Industrie, die Nutzung ihrer Infrastruktur und die Weiterentwicklung verschiedener Technologien Teil eines großen europäischen Technologieprogramms werden konnten. Jeder, so Sharma, habe seine Rolle zu spielen.

“Die Technische Universität Hamburg-Harburg hat eine GE Additive M2-Maschine auf dem Campus installiert, und ihr Know-how beim Prototyping war von unschätzbarem Wert, während das Team der TU Dresden für die Validierung und den Bau eines speziellen Prüfstands verantwortlich war. Autodesk optimierte den Design for Additive Manufacturing-Prozess, und schließlich unterstützte uns GE Additive, indem es das Teil mit seiner A.T.L.A.S-Maschine druckte.

Ein so talentiertes, additiv-erfahrenes Team zu haben, brachte eine Menge neuer Ideen und Konzepte in die Grundlagen ein, an die wir nicht unbedingt gedacht hätten, wenn wir in unseren eigenen Teams gearbeitet hätten. Es gab eine Menge Einfallsreichtum”, fügte er hinzu.

Bei dem Projekt wurde eine multidisziplinäre Iterationsschleife für die Entwicklung der Hardware eingesetzt, und es wurden schlanke Fertigungskonzepte, -prozesse und -werkzeuge genutzt, um die Entwicklungszeit zu verkürzen. Viele innovative und kreative Designmerkmale und Lösungen wurden in Betracht gezogen und eingeführt, um Druck, Wärmegradienten und Stress zu reduzieren.

Dr. Dirk Herzog, Interimsprofessor am Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der TUHH, sagte: “Aufgrund der Größe des Bauteils war es notwendig, die Designkonzepte zunächst anhand von Fertigungssegmenten zu evaluieren, ihre Leistung zu validieren und von dort aus zu lernen, wie man sie auf den vollen Maßstab überträgt. Alle Teammitglieder haben im Laufe der letzten dreieinhalb Jahre viel Arbeit investiert, um uns an den Punkt zu bringen, an dem wir uns sicher waren, dass das Design und der DMLM-Prozess für den endgültigen Druck bereit waren. Zu sehen, wie das physische Teil schließlich erfolgreich gebaut wird, ist sehr befriedigend.”

Zu Beginn des TURN-Programms untersuchte GE AAT München den Designbereich und führte mehrere Handelsstudien durch, um fortschrittliche Technologien wie die additive Fertigung zu nutzen. Das Team von GE AAT München war in der Lage, einen Technologie-Reifeplan aufzustellen, um die Kunst der Herstellung von TCF-Gehäusen voranzutreiben.

Als das Konsortium schließlich begann, den Technologiereifeplan zu unterstützen, brachte AutoDesk fortschrittliche Werkzeuge zur Optimierung des additiven Designs ein, die TUHH stellte eine additive Maschine für erste Druckversuche zur Verfügung und die Experten der TUD bauten eine aero-thermische Anlage mit hochmodernen Instrumenten für die Validierung – die bereits beim ersten Versuch zufriedenstellende Ergebnisse lieferte, um ein erfolgreiches 3600-teiliges additives TCF-Gehäuse herzustellen.

“Die größte Herausforderung bei der Validierung von additiv gefertigter Hardware besteht darin, dass wir nicht nach oben oder unten skalieren dürfen, da dies die Oberflächenbeschaffenheit verändert, was sich in den Messdaten widerspiegelt, die auf das Produkt übertragen werden. Wir haben unsere einzigartige Erfahrung bei der Prüfung von Druckversuchen auf mechanische Festigkeit, Wärmeemissionsvermögen und aerothermische Validierung eingebracht”, so Thomas IIzig, Eike Dohmen und Sarah Korb, das Wissenschaftlerteam der TUD.

“Das Team konstruierte und fertigte eine neuartige Dreilochsonde zur Messung des Druckverlusts an der additiven TCF-Hülle, die eine Verringerung des Druckverlusts um etwa 90 % im Vergleich zu einer herkömmlichen Konstruktion ergab. Das TCF-Gehäuse wurde umfangreichen lufttechnischen, thermischen und mechanischen Tests unterzogen, um die technischen Anforderungen zu erfüllen”, fügten sie hinzu.

Die Rolle von Autodesk bei dieser Forschung bestand darin, ein leichtes, leistungsstarkes Turbinenzwischengehäuse zu entwickeln, indem die strukturelle und strömungstechnische Leistung optimiert und gleichzeitig dazu beigetragen wurde, mehr als 150 Teile in einem einzigen Bauteil zu konsolidieren. Das Team von Autodesk war maßgeblich an der Bewältigung der Herausforderungen bei der Konstruktion der Komponente beteiligt und nutzte die dortigen Software-Tools, um die Anforderungen des Programms zu erfüllen.

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