Endbearbeitung präzisionsgeschmiedeter Turbinenschaufeln Turbinenschaufeln adaptiv gefertigt

Autor / Redakteur: Wolfgang Klingauf / Anne Richter

Starrag entwickelt ein flexibles Fertigungssystem zur individuellen Serienbearbeitung präzisionsgeschmiedeter Turbinenschaufeln aus Titan. Aufgrund verfahrensbedingter kleiner Bauteilunterschiede wird für jede einzelne Schaufel ein individuelles Fräsprogramm generiert.

Die Konturunterschiede der geschmiedeten Turbinenschaufeln stellen erhebliche Anforderungen an die Fräsbearbeitung der Kanten und Übergänge: Für jede Schaufel wird die Fräsbearbeitung individuell angepasst.
Die Konturunterschiede der geschmiedeten Turbinenschaufeln stellen erhebliche Anforderungen an die Fräsbearbeitung der Kanten und Übergänge: Für jede Schaufel wird die Fräsbearbeitung individuell angepasst.
(Bild: Starrag)

Bereits seit über zwanzig Jahren übernimmt die Starrag AG, Rorschacherberg, Turn-Key-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 erfordert, 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.

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Highlight: adaptives Fräsen

Die Anlagenentwickler von Starrag entschieden sich, für diese Aufgabe Maschinen vom Typ LX 051 einzusetzen, einer Baureihe, die Starrag für die hochgenaue, simultane 5-Achs-Bearbeitung von Turbinenschaufeln entwickelt hat. Um für jede Schaufel einen optimalen Übergang zu erreichen, entschlossen sie sich zum adaptiven Fräsen – das bedeutet in diesem Fall, dass die Fräsbearbeitung für jeden Rohling individuell angepasst wird. Dazu findet in der Maschine zunächst ein Messvorgang statt, bei dem die Kontur jedes einzelnen Rohlings gescannt wird. Mithilfe dieser Daten wird für jeden einzelnen Rohling ein individuelles NC-Fräsprogramm errechnet, das sofort im Anschluss abgearbeitet wird. Das Ergebnis: ein massgeschneiderter Übergang vom Kantenradius zur Blattoberfläche.

Günter Leitold, bei Starrag für die Automatisierung der Flexiblen Fertigungssysteme verantwortlich, erklärt: «Dieses adaptive Fräsen ist eines der Highlights der Anlage. Wichtig ist dabei, dass der Messvorgang sehr schnell geht, um die Produktivität hoch zu halten. Das ist uns mit Hilfe der neuesten am Markt verfügbaren Scan-Technik gelungen.» Der Ingenieur weist darauf hin, dass Starrag für solche Fertigungsanlagen als Generalunternehmer agiert und somit die Gesamtverantwortung trägt: «Unsere Kernkompetenz liegt im Bereich der Werkzeugmaschinen, der Werkzeuge, der Vorrichtungen und des CAM-Systems. Ausserdem besitzen wir grosses Know-how in der Konfiguration solcher Anlagen. Wichtig ist ausserdem, dass wir bezüglich ergänzender Komponenten ausschliesslich mit führenden Unternehmen zusammenarbeiten, die unser hohes Niveau hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Verfügbarkeit mitgehen können.»

Redundanter Aufbau sichert hohe Verfügbarkeit

Eine zentrale Rolle bei der Planung spielte die Zuverlässigkeit der Anlage. Schliesslich sollen in der Endausbaustufe bis zu 40 000 Turbinenschaufeln jährlich produziert werden. Die Planer entschieden sich deshalb für einen durchgehend redundanten Aufbau. So besteht das FFS aus zwei identisch konfigurierten Linien, die jeweils aus zwei Beladestationen, zwei Bearbeitungszentren LX 051 mit Scanvorrichtung, aus einer Waschanlage, einem Nadelpräger und einer Messzelle bestehen. Den Bauteil­transport übernimmt je ein Sechsachs-Roboter, der im Bedarfsfall auch die Maschinen der zweiten Linie versorgt.

Die gesamte Anlage wird von einem Leitrechner mit PPS-System gesteuert, der auch über diverse Notfallstrategien verfügt. So ist gewährleistet, dass die Anlage kontinuierlich im Drei-Schicht-Betrieb an sechs Tagen pro Woche arbeiten kann. Günter Leitold ergänzt: «Selbst die Wartung kann während des Betriebs vorgenommen werden, indem man einzelne Zellenteile stilllegt und die Redundanz nutzt. Die betroffene Einheit wird über einen Mausklick aus dem Leitrechnerbetrieb herausgenommen und steht dann für Wartungsarbeiten oder Programmtests zur Verfügung.»

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.

Vollautomatisiert: zweimal Fräsen, Entgraten, Waschen, Kennzeichnen und Kontrollieren

Die Anlage verfügt insgesamt über vier Rüstplätze. Jeder ist mit einem Bedien-PC ausgestattet, der mit dem Leitrechner kommuniziert. Die Rohlinge enthalten bereits im Anlieferzustand einen 2D-Code, der sie eindeutig kennzeichnet. Er wird beim Rüsten mittels Lesegerät erfasst und dem Leitrechner übermittelt. Vertriebsleiter Rainer Hungerbühler weist auf die Vielseitigkeit des FFS hin: «Die Anlage ist für sieben verschiedene Turbinenschaufel-Varianten ausgelegt. Die Reihenfolge der Schaufelproduktion wird vom Leitrechner durch unterschiedliche Prioritäten vorgegeben.»

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 worden ist, 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 mitgeplant 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. SMM

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