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maschine+werkzeug 04/2016

Titanaluminid effektiv bearbeiten

EXTRA

Schleifen - In enger Zusammenarbeit mit Hochschulinstituten, Triebwerk- und Maschinenherstellern entwickelt Tyrolit neue Strategien und Verfahren für die Bearbeitung des schwer zerspanbaren Titanaluminid.

Seitdem die erste Flugzeuggeneration fliegen lernte, hat sich hinsichtlich Flugdauer sehr viel getan. Aufgrund des hohen Treibstoffverbrauchs und der hohen Temperaturen der Triebwerke war die Flugdauer anfänglich noch sehr begrenzt und deren Wartungsintervalle eher kurz. Heute verbleiben die Triebwerkkomponenten in aller Regel etwa 10.000 Betriebsstunden in der Maschine. Der Treibstoffverbrauch ist im Vergleich zur Leistung erheblich gesunken.

Möglich wurde die Leistungssteigerung durch ständige Weiterentwicklung der Triebwerkkomponenten hinsichtlich verwendeter Materialien und deren Auslegung. Diesen Entwicklungstrends müssen auch die Bearbeitungsverfahren für diese Komponenten folgen. Schließlich müssen die Triebwerkteile immer höheren Belastungen standhalten, um die gesteigerte Leistung und Standzeit überhaupt erbringen zu können. Besonders beansprucht werden die Turbinenschaufeln in der Hoch- und Niederdruckturbine des Triebwerks, wo nicht nur hohe Temperaturen, sondern auch Drücke und extreme Fliehkräfte auf die Bauteile einwirken.

In einem gemeinsamen Projekt von Politik, Forschungsinstituten und der Industrie sollen bis zum Jahr 2020 die CO2-Emissionen von Flugzeugen pro Passagier/Kilometer um 50 Prozent gesenkt werden (Referenz 2001), was auch eine Halbierung des Treibstoffverbrauchs bei neuen Flugzeugen bedeutet. Die NOx-Emissionen sollen um 80 Prozent reduziert werden, auch die Kosten für Wartung und Reparatur sollen eindeutig gesenkt werden, und die Flugzeuge sollen um 50 Prozent leiser werden.

Vielversprechender Werkstoff

Mit Titanaluminid haben die Materialwissenschaftler eine Werkstoffklasse entwickelt, deren physikalische Eigenschaften bei gleichzeitig geringem spezifischen Gewicht vielversprechend für den Einsatz in Flugzeugturbinen erscheinen. Titanaluminide sind intermetallische Legierungen aus Titan und Aluminium, die sich bis zu einer Temperatur von 800 °C als warmfest und ermüdungsresistent erweisen. Die geringe Dichte von nur 4 g/cm³ ergibt bei gleichem Bauteilvolumen eine deutliche Gewichtsersparnis gegenüber den heute gängigen Nickelbasislegierungen.

Die Turbinenhersteller versprechen sich durch den Einsatz von Titanaluminid als Leichtbauwerkstoff eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen bis zu 20 Prozent pro Passagier und Kilometer, 80 Prozent weniger NOx-Emissionen, bis zu 25 Prozent Lärmminderung sowie eine Reduzierung der Instandhaltungskosten um 30 Prozent.

Für Schleifmittelhersteller wie Tyrolit bedeuten Titanaluminide vor allem neue Herausforderungen hinsichtlich der Bearbeitung, da diese heute noch vergleichsweise aufwendig und kostspielig ist. Der neue Hochleistungswerkstoff widersetzt sich den Zerspanungs- oder Umformkräften aller gängigen Bearbeitungsverfahren. Die Gitterstruktur des Titanaluminids verhält sich im kalten Zustand spröde wie Keramik und entwickelt erst bei Erwärmung metallische Eigenschaften. Das macht die Formgebung der Einzelbauteile schwierig, zumal bei Triebwerkkomponenten sehr enge Toleranzen gefordert sind.

Technologieführer verschiedener Fertigungssparten haben sich mit ihrem jeweiligen Erfahrungsschatz in die Entwicklung möglichst wirtschaftlicher Bearbeitungsmethoden für den neuen Werkstoff eingebracht. In Bezug auf das schwierige Schleifen hat Tyrolit auf diesem Gebiet schon früh die aufwendige Entwicklungsarbeit zur Bearbeitung von Titanaluminid übernommen. In gemeinsamer Arbeit haben Forschungsanstalten, Triebwerkhersteller, Maschinenhersteller und Schleifexperten nach neuen Bearbeitungswegen gesucht.

Florian Dierigl, Marketing Manager Turbinenindustrie bei Tyrolit, sagt: »Oberstes Ziel von Tyrolit ist es, für alle im Turbinenbereich eingesetzten Materialien Schleiflösungen anbieten zu können. Mit Hilfe unseres hausinternen Technologie-Centers können wir gezielt Erfahrung aufbauen und dadurch die optimalen Produkte für unsere Kunden und deren Prozessoptimierungen anbieten.«

Im modern ausgestatteten Test-Center bei Tyrolit können beispielsweise auf einer neuen Schnellhubflachschleifmaschine verschiedene Prozessbedingungen simuliert und, darauf abgestimmt, Schleifwerkzeuge und die dazugehörigen Prozessparameter ausgewählt werden. Aktuelle Untersuchungen bestätigen, dass Titanaluminid nicht gleich Titanaluminid ist. Dr. Markus Weiss, Head of Grinding Technology Department, erläutert: »Bereits geringe Unterschiede in der Zusammensetzung und im Herstellungsverfahren des Titanaluminids führen bei der Zerspanung zu einem deutlich veränderten Verhalten des Schleifwerkzeuges hinsichtlich Bearbeitungskraft, benötigter Spindelleistung und Werkzeugverschleiß.«

Florian Dierigl fügt hinzu: »Es gilt die materialseitig ändernden Parameter und die damit verbundenen Verhaltensänderungen zu erfassen. Auch für die Bearbeitung muss eine Matrix von Parametern für Bearbeitungsverfahren und Werkzeuge erarbeitet werden, nach der dann für das jeweilige Titanaluminid der jeweils optimale Schleifprozess angeboten werden kann. Das beinhaltet sowohl auf das jeweilige Material abgestimmte Schleifwerkzeug wie auch die dazu passenden und bereits vorerprobten Schleifparameter, welche von der Tyrolit-Anwendungstechnik bestimmt wurden. Mit dieser Vorgehensweise verringern wir die Cost per Part bei unseren Kunden.« Tyrolit kann dabei auf die Praxiserfahrung von weltweit 65 Anwendungstechnikern und vielfältigen Versuchsmöglichkeiten der eigenen Forschungs- und Entwicklungsabteilung zurückgreifen. Somit können sowohl Entwicklungsarbeiten der Triebwerk- und Komponentenhersteller als auch die Maschinenhersteller vor Ort optimal unterstützt werden.

Es können erste Erfolge bei der Fertigung von Turbinenschaufeln aus Titanaluminid vermeldet werden. Der Erstflug des Triebwerks GEnx-1B-Turbofan ist bereits erfolgt, und die ersten Ergebnisse bestätigen die hoch gesteckten Erwartungen.

www.tyrolit.com

  • Tiefschliffverfahren mit keramisch gebundener Schleifscheibe.

    Tiefschliffverfahren mit keramisch gebundener Schleifscheibe.

  • Strato SA, galvanisch gebundene Schleifscheibe mit CBN oder Diamant für die Turbinenbauteilbearbeitung.

    Strato SA, galvanisch gebundene Schleifscheibe mit CBN oder Diamant für die Turbinenbauteilbearbeitung.

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TYROLIT Schleifmittelwerke Swarovski KG

Swarovskistr. 33
AT 6130 SCHWAZ
Tel.: 00435242-606-0
Fax: 00435848-63597

Internet:www.tyrolit.de



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