Forschung im Flugsicherheitsbetrieb

Transkript

1 Forschung im Flugsicherheitsbetrieb Ein mittelgroßes Flugtriebwerk verdichtet so schnell so viel Luft, dass es innerhalb einer Sekunde ein großes Haus leersaugen könnte. Es kostet nach Listenpreis um die zehn Millionen Dollar und besteht aus etwa Einzelteilen. Keins davon darf versagen. Bei der MTU Maintenance Hannover werden jede Woche etwa zehn Triebwerke auseinandergebaut, instandgesetzt und wieder zusammengebaut. In Kooperation mit der MTU Maintenance entwickeln Wissenschaftler die Instandhaltungs- und Reparaturtechnologien von morgen. Das ist nicht ganz einfach, denn ihre Forschungsobjekte sind entweder in der Luft oder in ein enges Korsett aus Sicherheitsregeln gezwängt. 26 PZH 2011

2 Gewusst! Wie? Instandhaltung Ingenieure am Triebwerk: Anna Schneider, IFW, und Nils Weidlich, MTU Maintenance. Was rotiert, verschleißt, erklärt Nils Weidlich, der bei der MTU Maintenance Hannover neue Reparaturverfahren entwickelt. Beim Start rotiert eine kleinere Turbine bis zu Mal pro Minute. Die Laufschaufeln erreichen dabei Geschwindigkeiten von etwa 2000 Stundenkilometern. Die kleine Turbinenlaufschaufel in der Hand des promovierten Ingenieurs hat erkennbar schon bessere Zeiten gesehen. Und sie wird nie wieder fliegen können. Denn Weidlich zeigt sie einigen Ingenieuren des Sonderforschungsbereichs Regeneration komplexer Investitionsgüter (siehe Kasten S. 29) bei einer Besprechung im Produktionstechnischen Zentrum, und eine Triebwerkskomponente darf den Instandhaltungsprozess der MTU nur dann verlassen, wenn es noch kein zugelassenes Reparaturverfahren für den Schadensfall gibt oder wenn die zulässige Anzahl an Repara- 27

3 turen erreicht ist. In beiden Fällen wird sie ausgemustert und unbrauchbar gemacht. Im Fall der kleinen Schaufel durch eine große Kerbe im Schaufelfuß, auf die Weidlich hinweist. Was sich anhört wie eine unbedeutende Randnotiz, lässt einige der Wissenschaftler blass werden. Anna Schneider vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen gehört zu den zehn versammelten Ingenieuren des Sonderforschungsbereichs. Sie moderiert das Treffen, denn sie arbeitet nicht nur in einem Teilprojekt des SFB, sie hat auch diese SFB-AG Versuchswerkstücke initiiert. Ich wollte, dass die Daten, die wir an den echten Komponenten erheben, miteinander vergleichbar sind und zentral verwaltet werden. Das ist wichtig, weil jedes Triebwerk unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt war eines war beispielsweise mehr Wüstensand ausgesetzt, das andere extremen Temperaturänderungen, und das führt zu großen Unterschieden im Verschleiß. Schneider hat Konstruktionstechnik an der FH Aachen studiert, dann einige Zeit als Konstrukteurin gearbeitet, und obwohl die 25-Jährige erst ein gutes halbes Jahr am PZH ist, hat sie bereits alle Prüfungen abgelegt, die sie als FH-Absolventin zur Promotion berechtigen. Nach der Instandsetzung geht s gleich zurück ins Triebwerk. Kein Platz für Forschung, eigentlich. Wie kommen die Forscher an ihre Forschungsobjekte? Anna Schneider und Nils Weidlich im Gespräch (Bild oben). Besuch bei der MTU Maintenance in Langenhagen (mitte). Hier werden jede Woche etwa zehn Triebwerke auseinandergebaut, instandgesetzt und wieder eingebaut (unten). 28 PZH 2011 Für die SFB-Wissenschaftler ist klar: Sie brauchen eine möglichst belastbare Datenbasis, deshalb sind Messungen am echten Objekt für einige Projekte unverzichtbar. Idealerweise sind das Messungen an gebrauchten Triebwerkskomponenten jeweils vor und nach einer Reparatur und parallel dazu Versuche mit alternativ reparierten Komponenten. Für MTU-Experte Nils Weidlich dagegen ist klar: So einfach geht es nicht. Da ist der Termindruck ein Triebwerk fliegt gleich nach der Instandhaltung wieder. Das heißt, jedes reparable Teil, das ausgebaut wird, wird auch sofort wieder eingebaut. Und dann gibt s außerdem die Sicherheitsvorschriften für die Teile, die, sobald sie ausgebaut wurden, zusammen mit einer papiernen Dokumentation streng festgelegte Prozesse durchlaufen. Die Reparaturbedingungen für die Turbinenlaufschaufel zum Beispiel sehen so aus: 1. manueller Vorbefund, 2. automatische Reinigung, 3. manueller Befund, 4. Entschichtung, 5. Inspektion (per Ultraschall, chemisch und manuell, um Oberflächenfehler und Risse zu finden), 6. wenn erforderlich, Stellen ausbessern und die stark belastete Schaufel-

4 Gewusst! Wie? Instandhaltung spitze neu aufschweißen und rekonturieren, 7. wieder beschichten, 8. prüfen. Dann geht s zurück ins Triebwerk. Kein Platz für Forschung, eigentlich. Nils Weidlich weiß es besser: Der offizielle Werkstückansprechpartner für den SFB hat nicht nur globale Triebwerkkreisläufe und die MTU Maintenance-Regeln verinnerlicht, sondern vor zwei Jahren selbst noch im Laser Zentrum Hannover für seine Promotion geforscht. Jetzt, mit 30 Jahren, ist er so etwas wie ein Kollege, nur ein paar Jahre später, und auf der Seite des Industriepartners. Gemeinsam suchen die Ingenieure nach Möglichkeiten, den Sicherheitsbestimmungen und den Interessen beider Seiten gerecht zu werden. Das Resultat ihrer Bemühungen lässt auch den Wissenschaftler aufatmen, der von der tiefen Kerbe im Schaufelfuß sichtbar mitgenommen war: Er macht Schwingungsuntersuchungen, und natürlich verändern solch grobe Markierungen das Schwingungsverhalten der Teile. Er darf nun Wünsche äußern, an welcher Stelle die Schaufel unbrauchbar gemacht werden könnte. Grundsätzlich gilt: Gebrauchte, reparierbare Teile können den Wissenschaftlern zwar nicht zur Verfügung gestellt werden, aber mit etwas Vorlauf ist es prinzipiell möglich, neue Schaufeln als Referenzwerkstücke zu bekommen, die zerstörungsfrei geprüft werden dürfen. Scrap-Teile, also die ausgemusterten und entsprechend kenntlich gemachten Komponenten nach Erreichen des Reparaturlimits, können die Wissenschaftler nach Belieben nutzen. Die erforderliche anschließende Zerstörung wird das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen sicherstellen. Au- ßerdem können in begrenztem Umfang neu entwickelte SFB-Teile unter MTU Maintenance-Fertigungsbedingungen erprobt werden. Was Anna Schneider vorhat, ist nicht irgendeine Abtragssimulation: Erstmals werden auch verschiedene Materialien berücksichtigt. Die Arbeit kann weitergehen. Anna Schneider stellt eine angemessene und realistische Wunschliste zusammen. Für sie selbst steht zunächst nichts auf dieser Liste, denn für ihr Teilprojekt sind Laufschaufeln nicht aus Turbinen, sondern aus Niederdruckverdichtern vorgesehen, die die MTU zurzeit nicht am Standort Hannover repariert. Gemeinsam mit ihren Kollegen am IFW beschäftigt sich Anna Schneider in diesem Teilprojekt mit der Simulation von Rekonturierungstechnologien. Wenn etwa die Tip, die Spitze, abgenutzt ist, wird durch Löten oder Schweißen Material aufgebracht. Das überschüssige Material wird spanend wieder abgetragen, um die Endkontur zurückzubekommen. Dabei kommen jeweils Eigenspannungen in das Material. Wir simulieren den Prozess mit einer Abtragssimulation, die auch die Eigenspannungen und die verschiedenen Werkstoffe berücksichtigt. Unser Ziel ist ein NC-Code, der Fräswerkzeuge so steuert, dass sie bei der Rekonturierung der Laufschaufeln möglichst nur,gute Eigenspannungen erzeugen. Gute Eigenspannungen das sind in diesem Fall Druckspannungen. SFB 871: Regeneration komplexer Investitionsgüter Die Beteiligten des SFB erarbeiten wissenschaftliche Grundlagen für die Instandsetzung komplexer Investitionsgüter mit dem Ziel, möglichst viele Komponenten zu erhalten oder aufzuarbeiten, so dass die funktionalen Eigenschaften wiederhergestellt und möglichst sogar verbessert werden. Als komplexe Investitionsgüter bezeichnen sie neben Triebwerken und stationären Turbomaschinen auch Windkraftanlagen, Werkzeug- und Druckmaschinen. Die Forscher arbeiten daran, möglichst frühzeitig Verschleiß von Komponenten zu erkennen. Für die Befundung einzelner Komponenten sollen Regeln entstehen; Regenerationsvarianten werden simuliert, auf Basis der Kundenwünsche wird der optimale Regenerati- onsprozess gefunden. Das Ergebnis sind Ressourcenschonung, Zeitersparnis, Qualitätsgewinn und Reproduzierbarkeit. Der SFB wurde 2009 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft bewilligt und läuft seit 2010 für zunächst vier Jahre. Beteiligt sind drei Institute aus dem PZH und weitere sieben Institute der Leibniz Universität Hannover; außerdem das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. und das Laser Zentrum Hannover e. V. Vertreten wird der SFB durch den Sprecher Professor Jörg Seume vom Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik. 29

5 Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen simuliert Anna Schneider die Rekonturierung von Triebwerkschaufeln. Schließlich zeigt sich, dass ihr Engagement für die Versuchswerkstück-AG doch nicht ganz selbstlos war, wie zunächst gedacht: Anna Schneider untersucht in ihrem Projekt Verdichterlaufschaufeln, die aus Titan hergestellt sind. Bei Titan sind die Effekte der Eigenspannungen besonders offensichtlich, weil es sich leichter verformt als Nickelbasis-Legierungen. In der heißen Turbine selbst können sie nicht eingesetzt werden, dort kommen nur Laufschaufeln aus Superlegierungen auf Nickelbasis zum Einsatz, die widerstandsfähiger, hitzebeständiger und teurer sind. Im Verlauf des Projekts ist allerdings explizit vorgesehen, die Ergebnisse auch auf Laufschaufeln MTU Maintenance Hannover Die MTU Maintenance Hannover ist eine Tochtergesellschaft der MTU Aero Engines, Deutschlands führendem Triebwerkshersteller. Der Betrieb in Langenhagen ist das Flaggschiff der MTU Maintenance-Gruppe, des weltweit größten unabhängigen Instandhalters ziviler Luftfahrtantriebe. Spezialisiert ist das Unternehmen auf die Reparatur und Überholung mittlerer und großer ziviler Triebwerke. Neben den technischen Aspekten der Instandhaltung, einschließlich verfeinerter Reparaturverfahren, bietet das Unternehmen Serviceleistungen an wie technische und logistische Beratung, Kundenschulung, Finanzierung und 24-Stunden-Service-Bereitschaft. Auf einem neuen Prüfstand können Antriebe bis zu Pfund Schub getestet werden. 30 PZH 2011 auf Nickelbasis zu erweitern. Das, so stellt sich heraus, interessiert Nils Weidlich sehr. Denn Nickelbasissuperlegierungen sind extrem schwer zu schweißen. Das Material, das beim Schweißen aufgetragen wird, hat andere Eigenschaften, die einen angepassten Fräsprozess am Materialübergang besonders sinnvoll machen. Ziel ist auch hier, am Ende ausgeglichene Eigenspannungen zu haben. Methodisch kann Anna Schneiders Projektteam ohnehin punkten: Sie wird mit ihren Kollegen und der am IFW entwickelten Simulationssoftware CutS erstmals eine Abtragssimulation mit Materialunterscheidung vornehmen und damit also lokal unterschiedliche physikalische Eigenschaften berücksichtigen. Also etwas, was der MTU Maintenance sehr gefallen würde. So gibt es am Ende der Veranstaltung und ziemlich am Anfang der Forschung noch einmal leuchtende Augen: Weil auf der Versuchswerkstück-Wunschliste völlig unerwartet nun auch Turbinenlaufschaufeln auf Nickelbasis mit einer aufgeschweißten Spitze für Anna Schneider stehen. Solche, die nicht mehr für eine Reparatur zugelassen werden und die daher nie mehr fliegen dürfen. Die aber noch eine Chance bekommen: in der Forschung im Flugsicherheitsbetrieb. Simulationsbasierte Prozessauslegung spanender Rekonturierungstechnologien (DFG), Teilprojekt C1 des Sonderforschungsbereichs Regeneration komplexer Investitionsgüter: Dr. Volker Böß, Anna Schneider, Dennis Nespor; Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen