Ongeveer 12,5 dagen lang titanium frezen

In één enkele poging heeft een onderzoeksteam van het Fraunhofer Instituut voor Productietechnologie IPT in Aken onlangs een titanium blisk gemaakt van een 230 kilogram wegend onbewerkt onderdeel. In een fabricageproces van 300 uur slaagde het team erin 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 leiden tot de voltooiing van het onderdeel volledig achterwege laten.

Het team dat bij Fraunhofer IPT aan de prototypeproductie werkte, produceerde de blisk met een diameter van ongeveer 650 millimeter en een bladlengte van ongeveer 250 mm uit een enkele blank. Het onderdeel was een verkleinde fan-blisk, de voorste en grootste waaier van de motor. De blisk is gemaakt van Ti6Al4V, een titaniumlegering die bijzonder moeilijk is te bewerken. De blisk is ontworpen door het German Aerospace Centre (DLR). Vervolgens is het, samen met het Institute for Flight Propulsion and Turbomachinery van de Technische Universiteit van Braunschweig en Rolls-Royce Duitsland, als onderdeel van een trilateraal project gefinancierd door de deelstaat Nedersaksen. Dit alles in het onderzoeksproject van het EFRO-programma voor tests op de zijwindtestbank voor vliegtuigmotoren in Braunschweig.

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 ventilatorbladen, andere hadden te maken met de extreem hoge eisen aan de procesketen, omdat het uit één stuk vervaardigen van een ventilator van dit formaat pionierswerk is. De plano woog zo’n 230 kilogram toen hij in de machine werd geklemd. Uiteindelijk woog het afgewerkte onderdeel slechts 22 kilogram. Het was noodzakelijk om een enorme hoeveelheid materiaal betrouwbaar en binnen extreem nauwe toleranties te bewerken. Vanwege de enorme hoeveelheid te bewerken materiaal besloot het team zowel om economische als ecologische redenen om de zogenaamde ‘First Part Right’-strategie te gebruiken. Met deze strategie wordt het onderdeel vervaardigd zonder het proces eerst op een ontwerponderdeel te testen.

De lange ventilatorbladen kunnen trillen tijdens het frezen. Om dit te voorkomen, moesten de onderzoekers spilsnelheden bepalen die bijzonder gunstig waren voor het afwerken van het oppervlak. Om dit te doen, bepaalden ze continu de werkstukdynamiek, die tijdens het freesproces voortdurend veranderde. Het team gebruikte zowel referentiemetingen met de laservibrometer als simulaties met behulp van de eindige-elementenmethode (FEM). Om automatisch de juiste spilsnelheden te selecteren, gebruikte het team zelfontwikkelde software die werkt op basis van de eigenfrequenties van het gereedschap en het werkstuk.