Turbinenschaufeln aus dem Drucker

Beim Design von Triebwerkskomponenten wie Turbinenschaufeln mussten Ingenieure bisher vor allem darauf achten, dass sich die Bauteile später auch fertigen ließen. Ein neues Fertigungsverfahren befreit sie nun von hergebrachten Konstruktionszwängen.

„Design for Manufacture“ lautet eine Handlungsmaxime in der Konstruktion. „Wir können dieses Paradigma nun umdrehen und statt Gestalten für die Fertigung ‚Manufacture for Design‘ anbieten“, sagt Ingomar Kelbassa, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen. Im Klartext: Die Aachener Forscher können Bauteile produzieren, die sich bisher nicht fertigen ließen. Eine zentrale Rolle dabei spielt das SLM-Verfahren, das Selective Laser Melting.

SLM ist ebenso wie Laser Forming, Laser Cusing, Electro Beam Melting (EBM) oder Direct Metal Laser Sintern (DMLS) ein Strahlschmelz-Verfahren. Besonders in den letzten Jahren wurde das Strahlschmelzen zur Herstellung von metallischen Bauteilen intensiv erforscht und weiterentwickelt. Das Verfahrensprinzip ist dem des Laser Sinterns sehr ähnlich, erklären die Autoren des von Jörg Feldhusen und Karl-Heinz Grote herausgegebenen Standardwerks „Pahl/Beitz Konstruktionslehre“ auf Seite 61. „Ein offensichtlicher Unterschied zum Laser Sinter Verfahren liegt darin, dass das Pulver ohne Zusätze von Binde- oder Flussmitteln lokal vollständig durch Laser ohne Elektronenstrahl aufgeschmolzen wird. Durch nachfolgende Erstarrung entsteht eine feste Schicht, welche auch beim Erstarren gleichzeitig mit dem bereits gefertigten Bereich des Objektes verbunden wird.“

SMS ermöglicht komplexe Geometrien und Hohlraumstrukturen

Nach „Pahl/Beiz Konstruktionslehre“ können verschiedene Serienwerkstoffe eingesetzt werden, sodass dieses generative Fertigungsverfahren zur Herstellung von Werkzeugen oder Endprodukten aus Metall von großer Bedeutung ist. Und durch die Realisierbarkeit sehr komplexer Geometrien und zudem innerer Hohlraumstrukturen entwickelt sich das Verfahren, so die Autoren, „zu einer ernst zu nehmenden Alternative zu den konventionellen Fertigungsverfahren wie Fräsen oder Gießen.“ Zudem seien Strukturen realisierbar, die mit anderen Verfahren nahezu nicht herstellbar sind.

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Die ILT-Forscher arbeiten jetzt gemeinsam mit ihren Kollegen vom ebenfalls in Aachen beheimateten Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT daran, das SLM-Verfahren in eine durchgängige Prozesskette zu integrieren. Um zu verdeutlichen, was die neuartige Prozesskette leisten kann, haben sie einen Schaufelcluster produziert, der aus sechs Doppelschaufeln besteht. Bisher ließen sich die Schaufeln für Turbinen nur paarweise als Twinblades herstellen. Nun kann man sie wesentlich einfacher und schneller montieren.

Ein Bauteil ist jetzt 30 Prozent leichter

Die Experten haben auch den Fuß des Schaufelclusters optimiert, den sie gegenwärtig auf der Messe ILA Berlin Air Show noch bis zum 25. Mai zeigen. Dieser Fuß war bisher herstellungsbedingt massiv, nun ist erstmals eine Wabenstruktur möglich. Das gesamte Bauteil wird dadurch um etwa 30 Prozent leichter. „Wir kombinieren Fräsen und SLM miteinander“, sagt Thomas Bergs, geschäftsführender Oberingenieur am IPT. Die Forscher vergleichen zum einen, wie leistungsstark die einzelnen Verfahren sind, und zum anderen, ob sie eine erweiterte Design-Freiheit bieten – und damit mehr Möglichkeiten, die Effizienz des Triebwerks zu erhöhen.