Energy

Turbinenschaufeln adaptiv gefertigt

Starrag entwickelt Flexibles Fertigungssystem zur individuellen Serienbearbeitung von Turbinenschaufeln

Ein hochmodernes Flexibles Fertigungssystem der Starrag übernimmt die Endbearbeitung präzisionsgeschmiedeter Turbinenschaufeln aus Titan. Um bis zu 40.000 Schaufeln im Jahr zuverlässig produzieren zu können, steckte der Maschinen- und Anlagenhersteller sein langjähriges Know-how in die Konzeption sowie in wichtige Details. So wird zum Beispiel aufgrund verfahrensbedingter kleiner Bauteilunterschiede für jede einzelne Schaufel ein individuelles Fräsprogramm generiert.

Bereits seit über zwanzig Jahren übernimmt die Starrag AG  Turnkey-Projekte zur Herstellung von Turbinenschaufeln und Strukturbauteilen. Rund 60 automatisierte Mehrmaschinenanlagen sind in dieser Zeit entstanden und haben für einen reichen technologischen Erfahrungsschatz gesorgt. Davon profitieren zurzeit zahlreiche Kunden, denn derartige Flexible Fertigungssysteme, auch FFS oder FMS (Flexible Manufacturing System) genannt, liegen weltweit im Trend. Vertriebsleiter Rainer Hungerbühler berichtet: »Während wir in der Vergangenheit maximal zwei solcher Projekte parallel in Arbeit hatten, sind es derzeit vier, die nach Asien und Amerika geliefert werden. Die Luftfahrt- und Energieindustrie nutzt vermehrt die qualitativen und wirtschaftlichen Vorteile, die eine solche automatisierte Serienfertigung wichtiger Komponenten wie zum Beispiel der Turbinenschaufeln bietet.«

Ein besonders beeindruckendes Projekt gilt der Fertigbearbeitung von Kompressorschaufeln, die in Flugzeugtriebwerken eingesetzt werden. Die zu bearbeitenden Titan-Rohlinge sind präzisionsgeschmiedet. Während die Genauigkeit beider Schaufelflächen (Saug- und Druckseite) keine weitere Nachbearbeitung erfordern, benötigen die Kanten noch einen bestimmten Radius. Zudem müssen die jeweiligen Übergänge zum Schaufelblatt ohne erkennbare Absätze oder Fräsmarken verlaufen. Nun ist das Schmieden – selbst wenn es in dieser hohen Präzision erfolgt – ein Verfahren, bei dem die Bauteile individuelle Unterschiede aufweisen. Während minimale Abweichungen innerhalb der Schaufelfläche für die Endanwendung unerheblich sind, stellen die Konturunterschiede erhebliche Anforderungen für die Fräsbearbeitung der Kanten und Übergänge dar.

Adaptives Rüsten sorgt für durchgängig hohe Schaufelqualität

Im Sinne einer hohen Verfügbarkeit wurde auch das Rüsten der Anlage sorgfältig geplant. Die bereits erwähnten, durchs Schmieden hervorgerufenen minimalen Konturunterschiede der Rohlinge veranlassten Starrag, hierbei auf menschliche Unterstützung nicht zu verzichten. »Angesichts der ansonsten nahezu durchgängigen Vollautomation 
fiel uns diese Entscheidung nicht leicht«, erklärt Patrik Rutishauser, Leiter Anwendungstechnik. »Aber die Berechnungen haben gezeigt, dass unser bedienergestütztes Rüsten die wirtschaftlichste Lösung für diese Anlage darstellt.«

Die Begründung: Eine produktive Fräsbearbeitung setzt eine feste Spannung mit vorgegebenen Kräften voraus. Obwohl die Abweichungen von Schaufel zu Schaufel nur gering sind, kann es jedoch bei automatischer Bestückung der Vorrichtung dazu kommen, dass mancher Rohling nicht exakt auf den Auflagepunkten zu liegen kommt. Beim Fixieren können dann Spannungen im Bauteil entstehen, die nach dem Fräsen beim Lösen zu einer Verformung führen und die Schaufel unbrauchbar machen. So entwickelte Starrag eine adaptive Vorrichtung, die sich dem jeweiligen Schaufelrohling anpasst.

Als Alternative käme auch eine Einschränkung der zugelassenen Bauteiltoleranzen in Frage. Alle Schaufelrohlinge, die diese nicht einhalten, müssten vorab aussortiert werden. Dann liesse sich eine sinnvolle Automatisierung mit starrer Vorrichtung realisieren. Allerdings wäre bei den geschmiedeten Titan-Rohlingen der Ausschuss zu gross, um unterm Strich ein akzeptables Ergebnis zu erzielen.

Der prinzipielle Ablauf ist für alle Schaufeln gleich. Jede Schaufel wird in zwei Aufspannungen gefräst. Dementsprechend sind auch zwei unterschiedliche Vorrichtungen notwendig. In der ersten wird der Rohling nach einem von Starrag entwickelten Spannprinzip gespannt. So liegen die Kanten und Übergangsbereiche beidseitig frei zur Bearbeitung.

Die zweite Vorrichtung enthält ein Blattspannsystem, so dass Fuss- und Kopfteil der Schaufel gefräst werden können. Das erforderliche Entgraten findet jeweils nach dem Fräsvorgang in der Maschine statt. Nachdem beim zweiten Fräsen die ursprüngliche Kennzeichnung entfernt wird, erhält jede Schaufel im Anschluss daran einen neuen 2D-Code, der von einem Nadelpräger eingebracht wird.

Eine weitere Vorrichtung ist für den abschliessenden optischen Messvorgang notwendig, in dem bei jeder einzelnen Schaufel über 50 Merkmale kontrolliert werden.

Um das Rüsten möglichst effizient zu gestalten, stehen bei Vollbetrieb der Anlage am Rüstplatz alle drei Vorrichtungen eines Schaufeltyps gleichzeitig zum Umrüsten bereit. Der Bediener entnimmt die komplett bearbeitete Schaufel aus der Messvorrichtung, rüstet dann die beiden anderen um und packt einen neuen Rohling in Vorrichtung eins.
 

Kompetenz in der Zerspanung

Applikationsingenieur Rutishauser verweist noch auf weitere wertvolle Besonderheiten der Anlage: »Die Starrag-Kompetenz bezieht sich nicht allein auf die Maschinen, sondern auch auf den Bearbeitungsprozess. So kommt sowohl unsere CAM-Software zum Einsatz, um die adaptiven Fräsprogramme zu erzeugen, als auch eigene VHM-Fräswerkzeuge, die für optimierten Spanabtrag sorgen.« Um bei den vier Bearbeitungszentren, die rund um die Uhr zerspanen, dem hohen Bedarf an Werkzeugen gerecht zu werden, stellt Starrag der verketteten Fertigungsanlage zudem zwei Werkzeugschleifmaschinen plus Hilfseinrichtungen bei, deren Kapazitäten vom Leitrechner mit geplant werden. Sie sorgen dafür, dass bestimmte Werkzeuge gleich vor Ort nachgeschliffen werden können. Diese werden wie alle benötigten Werkzeuge an Ort und Stelle vermessen, in die Halter eingeschrumpft und den Maschinen bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt. 

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