Im Rahmen einer langfristigen Zusammenarbeit mit dem Original Equipment Manufacturer (OEM) Rolls-Royce Deutschland (RRD) in Oberursel hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen ein innovatives und wirtschaftliches Reparaturverfahren für Triebwerkskomponenten entwickelt.
Bild 1: Auftragschweißanlage von TRUMPF, ausgestattet mit lampengepumptem Nd:YAG-Laser.
Bildquelle: Rolls-Royce Deutschland, Oberursel.

Die Gewährleistung der Flugsicherheit genießt in der zivilen Luftfahrt oberste Priorität. Eine zentrale Rolle nimmt hier die Funktionsfähigkeit der Triebwerke ein. Für die regelmäßigen und aufwändigen Inspektionen werden sie vollständig demontiert und umfassend gewartet. Die Triebwerkskomponenten aus speziellen Titan- und Nickelbasislegierungen (Superlegierungen) unterliegen aufgrund extremer Druck- und Temperaturschwankungen einem hohen Verschleiß. Zudem werden sie bei Start und Landung häufig durch angesaugte Fremdkörper beschädigt. Spezielle Reparaturen, bei denen verschlissenes Material partiell ersetzt werden musste, waren in der Vergangenheit nicht möglich. Bislang nicht instandsetzbare Teile wurden daher komplett durch neue ersetzt, was zum einen extreme Kosten verursacht und zum anderen aufgrund der weltweit geringen Marktverfügbarkeit der Werkstoffe zu Beschaffungsproblemen geführt hat.

Forschern des Fraunhofer ILT und des LLT gelang es, diese Engpässe zu überwinden: Mithilfe des Laserauftragschweiß-Verfahrens ist es nun möglich, diese defekten Triebwerksteile instandzusetzen. "Dabei besteht die Neuerung darin, oxidationsempfindliche Titanwerkstoffe und verzugsempfindliche Komponenten präzise, reproduzierbar und ohne Verzug zu schweißen.", erläutert Dr. Andres Gasser, Projektleiter am Fraunhofer ILT. "Das beim Laserauftragschweißen erzeugte Schmelzbad wird durch eine lokale Gasatmosphäre vor Reaktionen mit der Umgebungsatmosphäre geschützt. Somit kann auf eine kostenintensive geschlossene Prozessgaskammer verzichtet werden." Das Aachener Forschungsinstitut übernimmt die Verantwortung für die vollständige Projektabwicklung, von der Verfahrensentwicklung über die Zertifizierung des Verfahrens bis hin zur Installation einer Anlagentechnik zum Laserauftragschweißen beim industriellen Projektpartner.
Bei dieser Technik wird durch den Laserstrahl an der Bauteiloberfläche ein lokales Schmelzbad erzeugt. Mit einer angepassten Pulverzufuhrdüse wird nun ein artgleiches metallisches Pulver eingebracht. Die so entstandene Schicht weist ähnliche mechanische Eigenschaften wie das Bauteil auf. "Eine Schlüsselrolle spielt hierbei ein neu entwickeltes System von Pulverzufuhrdüsen, das den Pulvernutzungsgrad erhöht und die Oxidation der Schichten vermeidet.", erklärt Gerhard Backes, Projektleiter Düsenentwicklung am LLT. Dank ihres modularen Aufbaus und der kompakten Bauweise sind den Anwendungen der Spezialdüsen nahezu keine Grenzen gesetzt. Ein weiterer Vorteil des Laserauftrag-schweißens im Vergleich zum konventionellen Schweißen liegt im minimierten Bauteilverzug aufgrund der geringen thermischen Belastung, zudem erfolgt das Schweißen defektfrei und endkonturennah.
Bild 2: Reparatur von Frontrotoren: Prozessaufnahme.
Bildquelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen

Parallel zur Prozessentwicklung hat das Fraunhofer ILT eine angepasste Anlage der Firma TRUMPF zum Laserauftragschweißen geliefert, die nun seit rund einem Jahr bei Rolls-Royce Deutschland in Betrieb ist und sich sehr gut bewährt hat. Martin Spallek, Verantwortlicher für Komponenteninstandsetzung bei RRD, zieht Bilanz: "Durch den Einsatz des Instandsetzungsverfahrens verkürzen sich die Zeiten für die Generalüberholung der Triebwerke erheblich bei gleichzeitiger Kostensenkung um rund ein Drittel. Das trägt in hohem Maße zur Steigerung unseres Wettbewerbsvorteils bei."
Bild 3: Frontdrum mit Pulver- und Schutzgaszufuhr.
Bildquelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen

Das von der Fraunhofer-Gesellschaft gegründete Innova-tionscluster "Integrative Produktionstechnik für energieeffiziente Turbomaschinen - TurPro" entwickelt dieses Instandsetzungsverfahren für Turbomaschinenkomponenten weiter. Somit wird die Technik auch für stationäre Turbinen nutzbar gemacht und eröffnet neue Perspektiven für die allgemeine Triebwerkstechnik und langfristig auch für den gesamten Maschinenbau. Ein nachhaltiger Beitrag zur Sicherung des Hochlohnstandortes Deutschland!