Digitale strategieën vereenvoudigen verspaning complexe componenten

Fraunhofer IPT heeft een fan blisk met een diameter van ongeveer 650 mm zonder testrun gefreesd uit een stuk titanium van 230 kg. (foto: Fraunhofer IPT)

In een enkele poging heeft een onderzoeksteam van het Fraunhofer Instituut voor Productietechnologie IPT in Aken onlangs een blisk gemaakt uit een stuk titanium van 230 kg. In een bewerkingsproces van 300 uur is het team erin geslaagd om het zeer complexe prototype foutloos te produceren. Dankzij nieuwe digitale methoden voor simulatie en procesontwerp konden de wetenschappers de anders gebruikelijke en dure iteratieve stappen die nodig zijn voor de bewerking van dit soort componenten volledig achterwege laten.

Het team dat bij Fraunhofer IPT werkt aan prototypeproductie heeft een blisk met een diameter van ongeveer 650 mm en een bladlengte van ongeveer 250 mm uit een enkel stuk titanium verspaand. Het onderdeel was een verkleinde fanblisk, de voorste en grootste waaier van een vliegtuigmotor. De blisk is gemaakt van Ti6Al4V, een titaniumlegering die bijzonder moeilijk te bewerken is. De blisk is ontworpen door het German Aerospace Centre (DLR) en vervolgens, samen met het Institute for Flight Propulsion and Turbomachinery van de Technische Universiteit van Braunschweig en Rolls-Royce Duitsland geproduceerd.

Van 230 kg naar 22 kg

De productie van de fan blisk stelde het Fraunhofer-team voor verschillende uitdagingen. Sommige waren te wijten aan de vereiste grootte van het onderdeel en de relatief lange turbinebladen, andere hadden te maken met de extreem hoge eisen aan de procesketen, omdat het uit één stuk vervaardigen van een blisk van dit formaat pionierswerk is. Het stuk titanium woog zo'n 230 kg toen het materiaal in de machine werd opgespannen. Uiteindelijk woog het bewerkte onderdeel slechts 22 kg. Het was daarom noodzakelijk om een enorme hoeveelheid materiaal betrouwbaar en binnen extreem nauwe toleranties te bewerken. Omdat de onderzoekers op het gebied van productietechnologie baanbrekend bezig waren, moesten ze nieuwe productiestrategieën voor draaien en frezen identificeren en selecteren. Vanwege de enorme hoeveelheid te bewerken materiaal besloot het team om om economische en ecologische redenen de zogenaamde ‘First Part Right’-strategie te gebruiken. Met deze strategie wordt het onderdeel vervaardigd zonder eerst het proces op een prototype te testen. Om in een vroeg stadium te kunnen anticiperen en compenseren voor eventuele afwijkingen of andere kritieke omstandigheden, vertrouwde het team in toenemende mate op digitale methoden in alle procesonderdelen: van CAM en procesontwerp tot kwaliteitsbewaking tijdens de productie.

Automatisch bepaalde toerentallen

De lange bladen van het onderdeel trillen tijdens het frezen. Om dit te voorkomen, moesten de onderzoekers procesparameters zoals spiltoerentallen bepalen die bijzonder gunstig waren voor het nabewerken van het oppervlak. Om dit te doen, bepaalden ze continu de werkstukdynamiek, die tijdens het freesproces voortdurend verandert. Het team gebruikte zowel referentiemetingen met de laservibrometer als simulaties met behulp van de FEM-methode (finite element method). Om automatisch de juiste spiltoerentallen te selecteren, gebruikte het team zelf ontwikkelde software die werkt op basis van de eigen frequenties van het gereedschap en het werkstuk. Na zo'n 300 uur bewerken was de fan blisk klaar en bleek dat de strategie werkt.