ECM-Technologie von EMAG: Für die Innovationen im Triebwerksbau fast schon unverzichtbar

13.06.2014 - Oliver Hagenlocher


Der Entwicklungsdruck im Flugzeugbau ist so groß wie in nur wenigen anderen Branchen – zum Beispiel, weil Gesetzgeber immer schärfere Vorgaben für die CO2-Emissionen der Flugzeuge machen und zugleich der Markt in den nächsten Jahrzehnten schnell wachsen wird. In der Folge stehen bei den Entwicklern vor allem die Triebwerke im Fokus. Sie sollen bei sinkendem Kraftstoffverbrauch eine höhere Antriebsleistung garantieren. Dass diese Entwicklung massive Auswirkungen auf die eingesetzten Triebwerksbauteile hat, liegt auf der Hand. Zum Einsatz kommen extreme Werkstoffe wie zum Beispiel Nickelbasislegierungen, die hohen Belastungen Stand halten. Die Frage ist nur: Wie lassen sich diese Materialien präzise, schnell und sicher bearbeiten? Mit der ECM-Technologie geben EMAG-Experten hierzu eine leistungsfähige Antwort. Spanende Verfahren haben dabei immer öfters das Nachsehen. Die ECM-Maschinen von EMAG eröffnen dem Triebwerksbau neue Möglichkeiten.

Im Triebwerksbau gibt es einen wichtigen Zusammenhang: Je höher die Temperaturen im Triebwerk sind, desto effizienter ist sein Betrieb. Das Flugzeug verbraucht auf der gleichen Strecke weniger Treibstoff und seine Reichweite steigt an. Was das für die eingesetzten Werkstoffe im Inneren der Flugzeugturbine bedeutet, kann man sich leicht ausmalen. Die höheren Temperaturen führen die Entwickler direkt zum Einsatz von extrem widerstandsfähigen Werkstoffen, die der Belastung besser Stand halten. Allerdings ist das nur die „halbe Wahrheit“. Gleichzeitig werden viele Bauteile komplexer, und ihre Bearbeitung muss mit extremer Präzision erfolgen. Nur so lassen sich letztlich herausragende Ziele erreichen, die bereits vor über zehn Jahren von der Branche formuliert wurden: eine 20-prozentige Senkung der CO2-Emmisionen und des Kraftstoffverbrauchs.

Herausragende Option für den Triebwerksbau
Natürlich kennt man diese Entwicklung zum Beispiel auch aus der Automobilindustrie. Im Flugzeugbau läuft sie allerdings mit extremer Konsequenz ab – die Industrie steht derzeit an einem Scheideweg. In den kommenden zwei Jahrzehnten wird nach Schätzung von Experten der Luftverkehr um fünf Prozent pro Jahr steigen. Nach Prognosen von Airbus bedeutet dies eine Nachfrage nach 7.600 neuen Maschinen alle zehn Jahre. Allerdings steht angesichts dieser großen Chance auch fest: Um neue Märkte zu erobern, muss der Triebwerksbau unablässig Verbesserungen entwickeln. Neue Triebwerke stehen ganz oben auf der Agenda.

Aber mit welchen Produktionslösungen können die benötigten neuen Hochleistungsbauteile effizient hergestellt werden? Die ECM- und PECM-Technologie (Precise Electro Chemical Machining) von EMAG ist dabei eine herausragende Option, auch wenn sie viele Entwickler und Konstrukteure derzeit noch nicht kennen. Das Verfahren punktet immer dann, wenn es darum geht, komplexe Bauteile aus anspruchsvollen Werkstoffen herzustellen. Hochfeste Legierungen und ähnliche Materialien werden mit geringem Werkzeugverschleiß bearbeitet. Es entstehen Oberflächen mit maximaler Güte – ohne Gratbildung und ohne Veränderungen im Werkstoffgefüge. Spanende Verfahren führen stattdessen zu einer ganzen Reihe von Problemen. Die bei traditionellen Bearbeitungen auftretenden Temperaturen beeinflussen das Werkstoffgefüge anspruchsvoller Triebwerksteile oft negativ, die Werkzeugstandzeit bei hochfesten Werkstoffen sind gering und die für die Wirtschaftlichkeit benötigten hohen Zustellraten machen die Bearbeitung von filigranen Geometrien schwierig. Folglich ist es auch keine Überraschung, dass gerade ECM derzeit im Triebwerksbau stärker gefragt wird. Seit dem Einstieg von EMAG in diese Technologie im Jahr 2009 wurden bereits mehrere Maschinen innerhalb der Supply Chain von Triebwerksherstellern ausgeliefert. Mit ihnen werden zentrale Bauteile wie BLISK, DISK und Einzelschaufel aus Nickelbasislegierungen hochgenau und schnell bearbeitet.

EMAG hat das Verfahren gezielt weiterentwickelt
Das elektrochemische Verfahren sorgt für einen besonders sanften Abtrag von Werkstoff. Das Werkstück wird zur positiven Anode, das Werkzeug zur negativen Kathode. Zwischen beiden fließt eine Elektrolytlösung, und es lösen sich Metall-Ionen vom Werkstück ab. Die Form der Kathode bzw. des Werkzeugs mit den aktiven, stromleitenden Bereichen wird dabei so gewählt, dass der Materialabtrag am Werkstück zur gewünschten Bauteilkontur führt. Berührungslos entstehen Konturen, Ringkanäle, Nuten oder Auskesselungen – und das mit höchster Präzision. Der Werkzeugverschleiß ist minimal. Mit der PECM-Technologie haben EMAG-Experten das Verfahren gezielt weiterentwickelt. Auf der einen Seite ist der Spalt, durch den die Elektrolytlösung fließt, hier besonders eng. Auf der anderen Seite wird die Versorgung des Elektrolyts  durch eine mechanische Oszillationsbewegung optimiert. Das sorgt für ein besonders effektives und genaues Abtragen des Werkstoffs. Welche Möglichkeiten diese Technologie eröffnet, zeigt sich beispielhaft in der BLISK-Produktion.
Für die Bearbeitung von Triebwerksscheiben haben die Spezialisten von EMAG eine ECM-Maschine entwickelt, die mit 11 ECM-Bearbeitungsstationen ausgerüstet ist. Bohren, Kontursenken, Radius-Bearbeitung und Polieren –  vier Prozesse laufen im Inneren der Anlage ab. Mit einem Vorschub von 5 Millimetern pro Minute wird der hochfeste Werkstoff Inconel ohne thermische Beeinflussung und ohne Grat bearbeitet. Die Toleranzen betragen 0,1 bis 0,3 Millimeter. Die Standzeit der ECM-Werkzeuge ist sehr hoch. Im Vergleich zu spanenden Verfahren fallen deshalb die Werkzeugkosten in der Produktion wesentlich niedriger aus.

Machbarkeit im Labor erproben
Insgesamt bieten die Experten von EMAG ECM mit Sitz in Gaildorf bei Schwäbisch Hall eine komplette und weitgefasste Dienstleistung rund um das Verfahren an. Sie verstehen sich als Entwicklungspartner des Kunden. Im Zentrum steht ein modernes Labor vor Ort. Dieses bietet die Möglichkeiten Studien und Voruntersuchungen auf ein- sowie mehrachsigen Maschinen durchzuführen. Darüber hinaus steht umfangreiche Messtechnik (Rauheit, Kontur, Koordinatenmesstechnik) zur Verfügung.
Es wird nicht nur die generelle Machbarkeit untersucht sondern auch das Kosten-Nutzen-Verhältnis des Verfahrens mit Blick auf ein spezifisches Bauteil und seinen Werkstoff überprüft. Der Kunde kennt anschließend die auftretenden Bauteiltoleranzen und Taktzeiten genau.

Gerade für den Triebwerksbau ist zudem die generelle Philosophie der süddeutschen Maschinenbauer wichtig. Sie setzen von Anfang an auf eine sehr enge Kooperation mit dem Kunden, das Verfahren soll im Unternehmen fest „implementiert“ werden. Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass die Kunden trainiert werden, damit sie ihre Werkzeuge je nach Anforderung selbst entwerfen und konstruieren.

In Kooperation mit der RWTH Aachen
Dass der technologische Anspruch der Experten bei EMAG ECM sehr weit geht, verdeutlicht nicht zuletzt die wissenschaftliche Zusammenarbeit mit dem Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen. Hier erfolgen experimentelle Analysen zur elektrochemischen Bearbeitbarkeit eines Werkstoffs oder Simulationen zu einer noch besseren Kathodenauslegung. Das übergeifende Ziel ist eine ganzheitliche Optimierung. Das Verfahren wird mit Blick auf neue Werkstoffe und Bauteil-Geometrien somit ständig weiterentwickelt.

Große Serien, härteste Werkstoffe, präzise Ergebnisse ohne Werkstoffbeeinflussung, perfekte Oberflächen – vor diesem Hintergrund ergeben sich für die Maschinenbauer und ihrer Technologie herausragende Marktchancen im Triebwerksbau. Sie verfügen über ein modulares Maschinenkonzept, das an die Anforderungen eines Bauteils schnell angepasst werden kann. Andererseits profitieren sie von der allgemein hohen EMAG-Kompetenz in der Entwicklung und Herstellung von Werkzeugmaschinen. Dabei fließen zentrale Innovationen wie Mineralit-Maschinengrundkörper, intelligente Soft- und Hardwareschnittstellen oder effektive Automations-Lösungen in die Entwicklung mit ein. Auf diese Weise entstehen passgenaue (P)ECM-Turnkey-Lösungen bei EMAG ECM. Die Maschinenbauer sind überzeugt: Für viele Innovationen im Triebwerksbau ist ihre Technologie zukünftig unverzichtbar. Der „Run“ auf das ECM-Verfahren hat bereits begonnen.

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Oliver Hagenlocher

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