Das dreiteilige Spannsystem fixiert die Schaufeln der Blisk (untere Bildmitte in weißer Farbe).
Fraunhofer IPT
Verdichterscheiben für Flugzeugturbinen werden aus einem Materialstück herausgefräst. Bei der Bearbeitung fangen die Schaufeln allerdings an zu schwingen. Nun erfanden Forscher für diese empfindliche Spanarbeit ein neues Spannsystem.
Um Verdichterscheiben – an denen die Turbinenschaufeln montiert sind – möglichst leicht zu bauen, werden sie aus einem Materialstück heraus gefräst und nicht mehr wie früher Schaufel für Schaufel zusammengesetzt. Bei solchen Verdichterscheiben aus einem Guss spricht man auch von „Blade Integrated Disk“, kurz Blisk. Sie verdichten die Luft in der Turbine. Doch ihre Herstellung birgt Probleme: Denn die Turbinenschaufeln sind naturgemäß lang und dünn. Sie fangen beim Fertigen an zu schwingen wie eine Stimmgabel. Das erschwert jede weitere Bearbeitung. Die Hersteller fräsen daher nicht die ganze Schaufel in einem Rutsch, sondern gehen Stück für Stück vor. Das heißt: Sie fertigen das äußerste Stück der Schaufel bis zum Endzustand und fräsen erst anschließend weiter. Doch diese Herstellungsweise bringt Nachteile mit sich: Die Turbinenschaufeln stehen unter Spannung und ihre Geometrie verzieht sich danach noch geringfügig.
Spannsystem beseitigt Schwingungsprobleme
Abhilfe verspricht ein neuartiges Spannsystem des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen: Es treibt sozusagen den Schaufeln das Schwingen aus. „Die Dämpfung von Titanblisken beträgt mit dem Spannsystem 12,5 Prozent, ohne das System liegt sie bei 0,027 Prozent“, sagt Roman Kalocsay, Ingenieur am IPT. Somit steigert das neuartige Spannsystem die Dämpfung der Schaufeln beim Spanen auf mehr als das 400-fache – verbunden mit einer Kosteneinsparung in Höhe von bis zu 5000 Euro.
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Mit dem Spannsystem können die Hersteller die Schaufeln zunächst grob aus dem Material herausfräsen. Sobald sich die Schaufeln nicht mehr bewegen, lassen sie sich präzise fertigen. „Von beiden Seiten fahren federgelagerte Klemmen automatisch an die Schaufel – die Kräfte sind auf beiden Seiten gleich“, erläutert Kalocsay. „Sobald die Elemente richtig positioniert sind, werden sie hydraulisch verklemmt und halten das Werkstück wie eingegossen.“ Der Prototyp des Spannsystems ist im Innovationscluster „Adaptive Produktion für Ressourceneffizienz in Energie und Mobilität“, kurz AdaM, entstanden.