Technologieentwicklung in der Triebwerksfertigung

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1 Technologieentwicklung in der Triebwerksfertigung Integration neuer Fertigungstechnologien für kritische Hochtemperaturkomponenten Dr. Holger Cartsburg 2016 Rolls-Royce plc The information in this document is the property of Rolls-Royce plc and may not be copied or communicated to a third party, or used for any purpose other than that for which it is supplied without the express written consent of Rolls-Royce plc. This information is given in good faith based upon the latest information available to Rolls-Royce plc, no warranty or representation is given concerning such information, which must not be taken as establishing any contractual or other commitment binding upon Rolls-Royce plc or any of its subsidiary or associated companies. Trusted to deliver excellence Private Rolls-Royce Data

2 Agenda 2 Rolls-Royce Ein Triebwerkshersteller in Deutschland Fertigung von Triebwerksbauteilen Die Rahmenbedingungen Hochtemperaturwerkstoffe Eine Herausforderung für die Zerspanung Forschungsprojekte HoFePro/SchwerSpan

3 Daten: Geschäftsjahr

4 Ingenieurleistung der Spitzenklasse 4

5 Rolls-Royce in Deutschland 5

6 Standort Oberursel 6 Kompetenzzentrum für Bliskfertigung für den gesamten Rolls-Royce Konzern, Repair & Overhaul Fertigung von rotierenden Bauteilen Hochdruckverdichter-Komponenten und Blisks (Blade integrated disks) Teilefertigung (Drehen, Fräsen, Räumen, Schleifen) von Scheiben und Trommeln, Ringen, Dichtungen und Gehäusen Spezialprozesse (Elektronenstrahlschweißen, Wärmebehandlung, thermisches Spritzen, Verfestigungsstrahlen, zerstörungsfreie Prüfungen, nasschemische Prozesse Modul Montage

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9 Treibende Faktoren in der Triebwerksentwicklung 9 Grundprinzip: F = ṁ (V 2 - V 1 ) V 1 V 2 Verdichten Verbrennen Entspannen

10 10 Treibende Faktoren in der Triebwerksentwicklung Höchste Effizienz, hohes Druckverhältnis, hohe Kerntemperaturen Stück- und Lebenszykluskosten Markteinführungskosten und dauer Lärm und Emission Optimal integriertes System Geringes Gewicht, kleinster Luftwiderstand, Nebenaggregate und Steuerungssystem

11 Typische Lebenswegkosten 11

12 Rahmenbedingungen für die Fertigung 13

13 Rahmenbedingungen für die Fertigung 14 Werkstoff Häufig Ni- Basislegierungen Schwer zerspanbar Hohe Materialkosten Hochtemperaturfest Stückzahlen niedrig kaum skalierbar Konservative Auslegung technologische Optionen Qualität Enge Toleranzen Aufwändige Validierung Eingefrorene Prozesse

14 Specific Minimum 0.2% Proof Strength (Mpa/Mg.m-3) Hochtemperaturwerkstoffe 15 Compressor and Turbine Disc Materials 250 TDK (Ti-6-4 ) THW (IMI834) 200 TJK (Ti ) REW (Inconel 718) REB (Waspaloy) RCZ (Waspaloy V) 150 RR1000 Udimet720 Stahl 42CrMo Temperaturbereich bei der Spanformung Temparature ( C)

15 Hochtemperaturwerkstoffe 16 Optische Prüfung 3D Mesh 4 mm Gedrehte Oberfläche (RR1000) Gedrehte Oberfläche RR1000 Pick up auf einer gedrehten Oberfläche RR1000 Werkstoff neigt zur Bildung von Aufbauschneiden und Materialaufschmierungen

16 Einsatztemperatur und Werkstoffauswahl 17 Composites Ni-Legierungen Einsatztemperatur - Warmfestigkeit Versagensverhalten Low Cycle Fatigue (LCF) und High Cycle Fatigue (HCF) Gewicht Kosten Hauptkriterien bei der Werkstoffwahl Stahl Titan- Legierungen

17 BLISK Fräsbearbeitung aus Inconel 718 RRD Oberursel ist das Exzellenzzentrum für die BLISK Fertigung aus dem Vollen im Rolls-Royce Konzern. Inconel 718 gilt als schwerbearbeitbarer Werkstoff; dies führt zu extrem hohen Werkzeugkosten und ist ein wesentlicher Kostenfaktor. Produktivitätssteigungen werden benötigt, um den steigenden Bedarf von BLISKs zu bedienen. Die Entwicklung verbesserter Prozesskühlung führt zu einer ressourceneffizienten Fertigung. Neue Materialien werden für zukünftige BLISKs relevant. Hohe Kosten für die Verfahrensentwicklung verlangen nach der Entwicklung von Prozesssimulationstechniken.

18 R&T Projekt SchwerSpan Hybride Bearbeitung von schwerzerspanbaren Werkstoffen Lokales induktives Vorheizen des Werkstücks Neuartige Kühlkonzepte Gezielte Entwicklung von Fräswerkzeugen Simulation basierte Prozessentwicklung als Fast Make Tool für neuartige Werkstoffe Vernetzung zu weiteren geförderten R&T Projekten AdaM: Advanced Machining of BLISKs Thema: Simulation der Interaktion von Werkzeug und Werkstück NeoMetPro: Drehen von Turbinenscheiben Thema: Simulation des orthogonalen Schnitts Nutzen eines starken Netzwerks von bevorzugten RRD Entwicklungspartnern

19 Hochleistungsfertigungsverfahren zur Herstellung von Profilnuten Hauptziel Erhöhung der Bearbeitungskapazität für Profilnuten Verbesserung des Räumprozesses Prozesszeitreduktion Entwicklung alternativer Prozessketten zur Substitution des Räumens zur Profilnutbearbeitung Entwicklung optimaler Einzelprozesse und Prozessketten Verständnis von Haupteinflussgrößen, technischer Einsatzgrenzen und Gewinnschwellen Aufweitung des Zuliefermarktes ohne Räumfähigkeiten

20 Lösungsansatz Beispiel einer alternativen Prozesskette Schruppen Vorschlichten Schlichten HSS- Räumen Fräsen mit SiAlON- Keramik Vorschlichten mit Tannenbaumfräser HM-Räumen Sehr hohes Zeitspanvolumen Bearbeitung auf BAZ möglich Einsatz von Standard- und Sonderwerkzeugen möglich Wechselwirkung mit anderen Prozessschritten unbekannt Einzelprozesse nicht ausgereift

21 Luftfahrtspezifische Randbedingungen für die Fertigung 22 Materials and Manufacturing Methods (JAR E 70) Qualitätsprüfung an Triebwerksbauteilen unterliegt behördlicher Kontrolle Umfangreiche Eignungsprüfung und Nachweis für Materialien, Fertigungsmethoden und Prozesse Eingefrorene Prozesse Änderungen nur mit Validation möglich! Prozess analog zu FPD (Fixed Process Document)

22 Qualität: Auswirkungen von Fehlern Kurz nach dem Start vom Flughafen Singapur, explodierte die IP-Turbinenscheibe in dem Triebwerk Nr. 2, was zu einer Beschädigung der Kraftstoffzufuhr sowie der elektrischen Systeme führte. Das Flugzeug machte eine Notlandung in Singapur. Alle 469 Menschen an Bord konnten sicher evakuiert werden. Rolls-Royce Trent 900 Triebwerke

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Rolls-Royce plc The information in this document is the property of Rolls-Royce plc and may not be copied or communicated to a third party, or used for any purpose other than that for which it is supplied without the express written consent of Rolls-Royce plc. This information is given in good faith based upon the latest information available to Rolls-Royce plc, no warranty or representation is given concerning such information, which must not be taken as establishing any contractual or other commitment binding upon Rolls-Royce plc or any of its subsidiary or associated companies. Trusted to deliver excellence Private Rolls-Royce Data