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Technik + Wissenschaft Ausgewogene Toleranzen Daniel Hautmann Die Triebwerks- und Komponentenentwicklung wird immer komplexer und die dafür zur Verfügung stehende Zeit immer kürzer. Um innovative Produkte zu entwickeln, die allen Ansprüchen gerecht werden, arbeitet die MTU Aero Engines seit Jahren im Rahmen von Kompetenzzentren mit Professoren, Wissenschaftlern und Nachwuchsingenieuren zusammen. Ein Paradebeispiel dieser erfolgreichen Kooperation zwischen Industrie, Forschung und Hochschule ist das Technologieprojekt „Tolerant Airfoils“, das kurz vor dem Abschluss steht. Tolerant Airfoils wurde im Jahr 2009 aufgelegt und ist eines der ehrgeizigsten und zugleich vielversprechendsten Technologie- Projekte, an denen Deutschlands führender Triebwerkshersteller derzeit arbeitet. Ziel ist die Kosten- und Funktionsoptimierung von MTU-Hochdruckverdichtern der nächsten Generation. Im Speziellen wird analysiert, wie Blisks wirtschaftlicher gefertigt werden können. Blisks (Bladed Integrated Discs) sind Hochtechnologie-Bauteile, die integral aus einem Stück gefertigt werden und zunehmend in modernen Triebwerksverdichtern zum Einsatz kommen. Die Projektbetreuung liegt in Händen von Dr. Gerhard Kahl, der bei der MTU alle Technologie-Projekte für Verdichter koordiniert. Er arbeitet eng mit dem „Kompetenzzentrum Verdichter“, welches am Institut für Strahlantriebe (IST) und am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der Rheinisch- Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) in Aachen etabliert ist, zusammen. „Blisks sind hochpräzise Integralbauteile, die meist aus einer Titanlegierung bestehen“, erklärt Kahl. Ihnen gehört die Zukunft, denn sie ermöglichen leichtere und sparsamere Triebwerke. Daher kommen sie in immer mehr Triebwerkstypen zum Einsatz, unter anderem werden sie auch im neuen Airbus A320neo fliegen. Die MTU ist Spezialist für die Auslegung und Fertigung dieser Bauteile und fährt die Produktion hoch: Werden derzeit noch rund 500 Blisks pro Jahr gefertigt, werden es schon bald mehrere Tausend sein. Um den Bedarf zu decken, entsteht in München eine neue Fertigungshalle, in der die Bliskfertigung konzentriert werden soll. 34 35
Technik + Wissenschaft Jede Blisk hat bis zu 100 Schaufeln, die aus dem Vollen gefräst werden. Leicht vorstellbar, welchen Wert so ein Teil hat. „Die Fertigung darf sich keinerlei Ausschuss leisten“, sagt Prof. Peter Jeschke vom IST, der maßgeblich verantwortlich für „Tolerant Airfoils“ ist. „Ich muss zwei Dinge tun: robustere Schaufeln entwickeln und gleichzeitig die Fertigungsspezifikationen anpassen.“ Letztlich geht es um Fertigungstoleranzen. „Wir bewerten die Aerodynamik und die Strukturmechanik und weisen nach, wo die Toleranzen wichtig sind und wo sie aufgelockert werden können. Gemeinsam mit der MTU identifizieren wir die neuralgischen Stellen.“ Dr. Rainer Walther, Leiter der Technologie- Netzwerke bei der MTU in München, bringt die Aufgabenstellung auf den Punkt: „Es geht darum, Kosten und technische Anforderungen unter einen Hut zu bringen.“ Die Frage nach mehr Toleranz ist eine zentrale, denn man weiß, dass es in allen Phasen – Entwicklung, Fertigung und Instandhaltung – zu vermeidbaren Kosten kommt, wenn Aufwand und Resultat nicht im optimalen Verhältnis zueinander stehen. Kahl nennt ein Beispiel: „Wenn ich viel Geld aufwenden muss, um eine spezielle Hinterkantenform einer Schaufel herzustellen, damit aber im Wirkungsgrad nur eine Verbesserung im Promillebereich erziele, habe ich insgesamt nichts gewonnen.“ Das geht besser, befand der von allen Partnern besetzte Lenkungsausschuss zum „Kompetenzzentrum Verdichter“ und hob das Technologieprojekt „Tolerant Airfoils“ aus der Taufe, das im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms gefördert wird. Den Projektverlauf schildert Frank von Czerniewicz, Projektleiter Technologien Verdichter bei der MTU in München: In der Definitionsphase werden die Leistungsdaten des Triebwerks festgelegt. Dazu gehören Schub, Gewicht, Treibstoffverbrauch, Temperaturen und die Druckverhältnisse. „Daraus ergibt sich ein Basis-Design, das dann auf die einzelnen Module heruntergebrochen wird.“ In der Konzeptphase erstellen die Designer ein sog. General Arrangement. „Darin erkennt man z.B. die Anzahl der Stufen in den jeweiligen Modulen und man Kompetenter kooperieren Die MTU Aero Engines unterhält bundesweit sechs Kompetenzzentren. Koordiniert werden die CoCs (Centers of Competence) von Dr. Rainer Walther, Leiter der Technologie- Netzwerke der MTU. Die CoCs sind an Universitäten und am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR angesiedelt und bringen die klügsten Köpfe aus Forschung, Wissenschaft und Industrie zusammen; gemeinsam wird geforscht und Technologie entwickelt. Davon profitieren beide Seiten: Die Hochschulpartner erhalten Einblicke in interessante und aktuelle Problemstellungen der Triebwerksentwicklung. Im Gegenzug liefern sie der MTU wissenschaftliche Kompetenz und mit ihren Rechenanlagen, Auslegungswerkzeugen, Messtechniken und Versuchsanlagen die Möglichkeit, Dinge zu testen und zu erforschen, für die im täglichen Geschäft eines Konzerns meistens die Zeit fehlt. Daraus ergeben sich für junge Nachwuchsingenieure, die in den Kompetenzzentren an den gemeinsamen Projekten mitarbeiten, sehr häufig gute Chancen für eine praxisorientierte und wissenschaftliche Weiterqualifizierung (Promotion). Inhaltlich beschäftigen sich die Kompetenzzentren jeweils mit einem Kernthema: Das CoC an der RWTH Aachen hat den Forschungsschwerpunkt „Verdichter“, das CoC der Universität Stuttgart beschäftigt sich mit „Turbinen“, das CoC der Universität der Bundeswehr in München mit dem Thema „More Electric Engine“, das CoC der Technischen Universität München mit „Bauweisen und Produktion“ und das CoC der Leibniz Universität Hannover und dem Laser Zentrum Hannover mit der „Instandhaltung“. Um Technologien zum Gesamtsystem geht es im CoC „Triebwerkstechnik 2020+“, das die MTU zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterhält. Beruhigungsbehälter Messstrecke Abströmgehäuse Messstrecke des ebenen Gitterwindkanals des IST, teilweise instrumentiert mit Druckmessstellen. CAD-Ansicht eines ebenen Gitterwindkanals. 36 37
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