MMC Magazine

Produktionssteigerung bei Flugzeugtriebwerken durch die Einführung neuer Technologien

Die IHI Corporation Soma No.2 Aero-Engine Works stellt mehr als 3.500 Bauteile für Flugzeugmotoren her. Dazu gehören unter anderem Scheiben, Blisks und Getriebe. Mithilfe von mehr als 700 Maschineneinheiten und mehr als 100.000 Herstellungsprozessen fertigt diese Anlage verschiedene Bauteile in Kleinserien. In diesem Beitrag geben wir Ihnen einen Einblick in diesen hochentwickelten Standort. 

Ein führendes Unternehmen im Flugzeugmotorenbau in Japan

Die IHI Corporation ist in vier Geschäftsbereichen tätig: „Ressourcen, Energie und Umwelt“, „Soziale Infrastruktur und Offshore-Anlagen“, „Industrielle Systeme und Maschinen für allgemeine Zwecke“ und „Flugzeugtriebwerke für die Luft-, Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie“. Die Herstellung von Flugzeugmotoren macht zirka 60 bis 70 % der gesamten Produktion in Japan aus. IHI ist unter anderem Hauptlieferant für die meisten der vom japanischen Verteidigungsministerium eingesetzten Militärflugzeuge. Außerdem beteiligt sich das Unternehmen an internationalen Entwicklungsprojekten für eine Vielzahl von Verkehrsflugzeugtriebwerken, indem es seine Ressourcen für die Entwicklung, Fertigung und Lieferung von Modulen und Bauteilen zur Verfügung stellt. Das Fachwissen von IHI in Sachen Motorenentwicklung und -fertigung kommt auch bei sämtlichen Wartungs- und Reparaturarbeiten zum Einsatz. Solche Arbeiten werden von zahlreichen Kunden, insbesondere von internationalen Fluggesellschaften, sehr hoch geschätzt. 

IHI Soma No.2 Aero-Engine Works ist stolz auf seine hochmodernen Anlagen

IHI fertigt und wartet Flugzeugtriebwerke an vier Standorten: den Kure Aero-Engine & Turbo Machinery Works (in der Stadt Kure in Hiroshima), den Mizuho Aero-Engine Works (Mizuho-cho, Tokio), den Soma No.1 & No.2 Aero-Engine Works (in der Stadt Soma in Fukushima). Die IHI Soma Works, das größte Werk von IHI, befindet sich in Onodai, 10 km von der Pazifikküste entfernt in der Präfektur Fukushima.

Soma No.1 Works wurde 1998 als vierte Produktionsstätte des Geschäftsbereichs „Flugzeugtriebwerke für die Luft-, Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie“ errichtet. Bestimmte Funktionen des Tanashi-Aero-Engine-Werks wurden auf die neue Produktionsstätte übertragen, um die Herstellung von Bauteilen für Flugzeugtriebwerke zu ermöglichen. 2006 wurden aus demselben Grund auch komplette Produktionsteile der Anlage von Tanashi in die Soma No.2 Works ausgelagert. In der Soma No.2 Works wurden große Druckluft- und elektrische Leitungen durch das ganze Gebäude eingebaut, sodass alle Maschinen mit Strom und Luft gut versorgt werden können. Dies ermöglicht eine flexiblere Aufstellung von weiteren Maschinen, um der zunehmenden Nachfrage noch besser nachzukommen. 

Der Einsatz neuer Bearbeitungstechnologien über den kompletten Fertigungsprozess der Flugzeugbetriebe

Zusammen mit der zunehmenden Nachfrage in der Luft- und Raumfahrtindustrie steigt auch der Bedarf an umweltfreundlichen Triebwerken. Dabei spielt die Produktion von Niederdruckturbinen im Soma No.2 Aero-Engine-Werk eine entscheidende Rolle. Der Geschäftsführer Ryoji Takahashi, der technische Leiter Masayoshi Ando und der Produktionsmanager von Soma No.2 Aero-Engine Works wurden für diesen Beitrag interviewt. 

Welchen Beitrag leisten die Stärken von Aero-Engine Works zum hohen Marktanteil von IHI?

Takahashi: IHI verfügt über langjährige Erfahrung und umfangreiches Know-how in der Herstellung und Montage von Triebwerksteilen. Teile für Wellen und Niederdruckturbinen sind unsere Spezialität. Unser Unternehmen ist anhand der zunehmenden Vertragsabschlüssen mit dem Verteidigungsministerium stark gewachsen. Darüber hinaus nahm auch die Nachfrage nach Triebwerken für die zivile Luftfahrt zu. Daneben ist IHI eines der wenigen Unternehmen, das mit seinen vielfältigen Leistungen und Technologien den gesamten Triebwerkherstellungsprozess abdeckt. 

Schildern Sie uns bitte den Herstellungs-prozess der Triebwerksteile.

Takahashi: Viele Teile in Triebwerken sind aus leichten aber extrem stabilen Werkstoffen gefertigt. Die erforderliche Bearbeitungspräzision liegt bei den meisten dieser Teile bei 0,01mm. Bei der Triebwerksentwicklung müssen über längere Zeiträume Bearbeitungstests und Leistungsbewertungen durchge-führt werden, um den optimalen Herstellungsprozess festzulegen. Werden Werkzeuge im Herstellungsprozess einmal eingeplant, ist es nicht einfach, sie später auszutauschen. Steigt aber dadurch die Produktivität, ist es natürlich sinnvoll, Änderungen bei den Werkzeugen und im Herstellungsprozess vorzunehmen. Jede Änderung muss nach vorgegebenen Vorgaben erfolgen. Wir folgen bei Änderungen von Werkzeugen und Prozessen eine bestimmte Herangehensweise, bei der genaueste Kontroll- und Abnahmeverfahren durchgeführt werden müssen. Dies ist eine Grundvoraussetzung bei der Entwicklung von Herstellungsprozessen, die eine hochpräzise Bearbeitung und hohe Produktivität noch vor der Massenproduktion erzielen.

Wie ist der derzeitige Stand der Technik bei der Triebwerksteileproduktion?

Okada: Im Bestreben um größere Reichweiten wurde die Entwicklung von Flugzeugen der nächsten Generation mit hoher Leistungsfähigkeit und großer Treibstoffeffizienz vorangetrieben. Die Triebwerke für solche Flugzeuge erfordern neue Werkstoffe, die sich durch größere Temperaturbeständigkeit und geringeres Gewicht auszeichnen. 

Takahashi: Aus diesem Grund wurden in den vergangenen zehn Jahren oft Verbundwerkstoffe in der Triebwerksentwicklung eingesetzt. Um den CO2-Ausstoß und die Kosten für die Nutzung von Flugzeugen als Transportmittel zu senken, ist bessere Treibstoffeffizienz von großer Bedeutung. So kommen heute Werkstoffe wie CFK und keramische Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz. Bisher wurde Metall als Werkstoff benötigt, daher wurden stärkere Metalllegierungen entwickelt. Stärkere Werkstoffe können in dünnerer Materialstärke verwendet werden und sind somit leichter. Dies steigert die Treibstoffeffizienz. Durch den Einsatz von Verbundwerkstoffen und hochharten Legierungen wurde die Bearbeitung allerdings sehr komplex.  

Worin besteht der Zusammenhang zwischen der Verbesserung der Werkstoffe und der Entwicklung neuer Bearbeitungstechnologien?

Takahashi: Die Gewichtsreduzierung ist ein wichtiger Punkt. Die Gewichtseinsparung bei rotierenden Teilen führt zum Beispiel auch zu leichteren Lagerungen. Durch die Reduzierung des Gesamtgewichts des Triebwerks wird der Treibstoff deutlich effizienter genutzt und somit werden die Betriebskosten niedrig gehalten. Gleichzeitig verringert sich auch die Umweltbelastung. Mit der wachsenden Festigkeit der Werkstoffe wird die Bearbeitung schwieriger. Deswegen ist es notwendig, hochwertige Zerspanungswerkzeuge und Technologien einzusetzen. 

Ando: Die verwendeten Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sind aus extrem teuren und schwer zu bearbeitenden Werkstoffen. Aus diesem Grund ist es wichtig, Bearbeitungsmethoden zu finden, die eine Beschädigung der Produkte verhindern. Die Fertigung von qualitativ hochwertigen Produkten bei gleichzeitig geringeren Bearbeitungskosten ist unser wichtigstes Ziel.

Okada: Da die Werkstoffe kontinuierlich besser werden, sind aktuelle Bearbeitungsmethoden teilweise ungeeignet. Aber selbst wenn die vorhandenen Bearbeitungsprozesse eingesetzt werden, können diese Werkstoffe unter Umständen auch mit anderen Methoden bearbeitet werden, z. B. mittels Laser oder Elektroerosion. Auch Zerspanungswerkzeuge werden sich zukünftig sicherlich von den heutigen sehr unterscheiden.

Wie werden die neuen Bearbeitungstechnologien in den Fertigungsprozess eingebunden? 

Okada: Ich möchte Ihnen dazu ein Beispiel geben. Wir mussten die Produktivität bei Scheiben erhöhen, weil die Nachfrage nach Flugzeugtriebwerken gestiegen war. Üblicherweise haben wir Schwalbenschwänze, also die Verbindungsstelle, an der die Schaufeln an der Scheibe befestigt werden, im Räumverfahren gefertigt. Die Maschine zum Räumen ist allerdings sehr teuer und die Herstellung der Werkzeuge dauert relativ lange. Daneben ist Räumen eine Bearbeitungsmethode mit niedrigen Schnittgeschwindigkeiten, wodurch eine Verbesserung der Produktivität schwierig ist. Aus diesem Grund suchten wir nach einer neuen Bearbeitungsmethode. Zuerst führten wir die Schruppzerspanung des Schwalbenschwanzes mit einem Fräser durch. Der Vorteil des Fräsens besteht in einer zuverlässigen Werkzeugverfügbarkeit, und Formen und Werkstoffe können einfach verbessert werden. Allerdings gibt es auch einige Nachteile. Die Werkzeugkosten pro bearbeitetem Volumen sind beim Räumen günstiger als beim Fräsen. Beim Fräsen mussten die Gesamtkosten für Werkzeuge gesenkt werden. Das konnten wir durch die Verwendung weniger Werkzeugen erreichen und zwar indem wir den entsprechenden Werkzeugweg vorgaben und die Standzeiten maximierten. Auch wenn es bei der Umstellung von Räumen auf Fräsen viele Herausforderungen gab, konnten unsere Mitarbeiter alle Probleme lösen. Am Anfang, als bei den Bearbeitungstests noch oft Werkzeuge beschädigt wurden, hatte ich das Gefühl, dass wir diesen Weg aufgeben müssen. Die Unterstützung durch das Personal von Mitsubishi Materials war allerdings sehr hilfreich, sodass wir bei der Entwicklung der Prototypen und der Evaluierung der Produkte große Fortschritte machten. Die Anstrengungen und der Enthusiasmus der Ingenieure beider Unternehmen führten zu diesem Erfolg. 

Herstellung der weltweit führenden Bearbeitungstechnologie und der Weg zur weltbesten Anlage

Die Entwicklung hochwertiger Triebwerke setzt eine große Präzision voraus. Eine Verbesserung der Präzision sorgt für geringeren Energieverlust, während eine Gewichtsreduzierung die Leistung erhöht. Außerdem wird durch den geringeren Treibstoffverbrauch und die niedrigen Gasemissionen eine bessere Ökobilanz erzielt. Der Schlüssel zu solchen Verbesserungen ist der Fortschritt bei der Entwicklung von Werkstoffen mit größerer Hitzebeständigkeit und geringerem Gewicht. Die Mission der Soma No.2 Aero-Engine Works besteht in der Entwicklung und Einführung neuer Produkte auf Grundlage solcher Fertigungstechnogien. 

Takahashi erläutert: „Es gibt ein besonderes Geschäftsmodell für die Entwicklung von Triebwerken für Verkehrsflugzeuge. Es handelt sich dabei um ein Entwicklungsprogramm, eine internationale Partnerschaft. Die Entwicklung von Triebwerken für Verkehrsflugzeuge erfordert große Investitionen und viel Zeit. Dieses Programm ist daher eine internationale Gemeinschaftsentwicklung durch eine Partnerschaft zwischen den besten Akteuren von relevanten Fachbereichen. Um das Risiko gerecht zu verteilen, entsprechen die Entwicklungskosten jedes Partners dem Investitionsanteil. Außerdem bauen die Partner für ihre Verantwortungsbereiche langfristige, strategische Beziehungen auf, in denen Aufgaben wie Produktion, technischer Service, Produktentwicklung und After-Sales-Services (Ersatzteile, Triebwerkswartung) abgewickelt werden.“ Die Stärke von IHI ist das umfassende, technische Know-how in der Fertigung der meisten Triebwerksteile, und die Fähigkeit, die besondere Stärken bei der Entwicklung von Wellen, Verdichterkomponenten, Fan-Bauteilen etc. mit den Partnern abzustimmen, um das Dienstleistungsangebot optimal auszubauen. IHI erweitert stetig seine Produktpalette. Um das Ziel zu erreichen, die weltbeste Produktionsanlage zu werden, hält IHI die Fertigung, das Qualitätsmanagement und die Bearbeitungstechnologien auf höchstem Niveau, um die besten Rahmenbedingungen sicherzustellen. „Wir freuen uns über die Möglichkeit, entwickelte Triebwerke von IHI in Verkehrsflugzeuge einsetzen zu können und das sogar mit Bauteilen, die in Japan hergestellt werden. Wir arbeiten daran, unsere Technologie in den IHI Soma No.2 Aero-Engine Works stetig zu verbessern“.