Neue Technologie verbessert die Sicherheit von Motorkomponenten

VARMetric

Sensoren und intelligente Software erfassen entscheidende Qualitätsparameter der Barren während des gesamten Schmelzprozesses.

Luft- und Raumfahrt: Fertigung und Konstruktion | Paul E. King und Andrew J. Elliott

Bogenposition
Lichtbogenverteilungen über einen vom Anwender festgelegten Zeitraum während der Bearbeitung eines Barrens. Unterschiedliche Lichtbogenbedingungen wirken sich unterschiedlich auf die Metallqualität aus.
Quelle: National Transportation Safety Board; Ampere Scientific

Der kommerzielle Flugverkehr ist sicherer denn je. Dennoch können technische Ausfälle auftreten – und tun dies auch nach wie vor. Der Flug UA 328, der am 20. Februar 2021 in Denver, Colorado, startete, erlitt vier Minuten nach dem Start einen katastrophalen Triebwerksausfall. Glücklicherweise kehrte das Flugzeug zum Flughafen zurück und landete sicher. Zwar verbessert die Federal Aviation Administration (FAA) die Sicherheitsvorschriften kontinuierlich, doch es muss noch mehr getan werden, um kritische Triebwerksausfälle zu verhindern.

Verbesserungen können bereits zu Beginn der Fertigung im Rahmen der Primärmetallverarbeitung vorgenommen werden. Die Werkstoffe müssen so beschaffen sein, dass sie den starken Belastungen und extremen Temperaturen standhalten, denen die Bauteile ausgesetzt sind – wie beispielsweise Turbinenscheiben, die die Turbinenschaufeln zusammenhalten, während sie sich mit mehr als 10.000 U/min und bei Temperaturen von bis zu 1.700 °C drehen. Auch Ventilatorflügel sind anfällig, wie der Flug UA 328 gezeigt hat. Die US-Unfalluntersuchungsbehörde NTSB (National Transportation Safety Board) stellte fest, dass die Ursache ein Ausfall der Ventilatorflügel war – zwei Ventilatorflügel brachen aufgrund von Metallermüdung, die häufig auf makroskopische und mikroskopische Unregelmäßigkeiten zurückzuführen ist, die während der Primärmetallverarbeitung auftreten können.

Mit den heutigen Fertigungsverfahren lassen sich die Flugzeugtriebwerkskomponenten von morgen nicht herstellen. Um diese Standards zu erfüllen, bedarf es einer Revolution in der Teilefertigung, bei der einwandfreie Prozesse und Präzisionsausrüstung vollstes Vertrauen in die Fähigkeit des Materials wecken, maximale Leistung zu erbringen.

Das rechte Triebwerk der UA 328 weist Brandschäden an den Schubumkehrern auf.

Ampere Scientific und Consarc Corp. haben sich zusammengeschlossen, um mithilfe von Sensoren und intelligenter Software die Fertigung von Bauteilen zu revolutionieren. Ihr derzeitiges Ziel ist es, Bedingungen während des Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahrens (VAR) zu erkennen, die zu Defekten an kritischen Triebwerkskomponenten führen können. Sie werden diese Technologie nutzen, um Bedingungen vorherzusagen, die zu Defekten führen, und deren Entstehung zu verhindern.

VAR-Öfen dienen zum Umschmelzen und Veredeln von Speziallegierungen, aus denen kritische Triebwerksteile für Flugzeuge gefertigt werden. Bei den derzeitigen VAR-Öfen stützt man sich bei der Prozesssteuerung und der Beurteilung der Barrenqualität auf elektrische Signale, anstatt den wachsenden Barren direkt zu bewerten und in Echtzeit zu visualisieren.

Ampere Scientific ist entschlossen, dies mit seiner VARmetric-Technologie zur Erfassung der Lichtbogenposition zu ändern, die Einblicke in den Schmelzprozess ermöglicht. VARmetric kombiniert fortschrittliche elektromagnetische Feldmessung mit den VAR-Ofendaten von Consarc, um Betriebseigenschaften des Ofens zu erfassen, aufzuzeichnen und anzuzeigen, die während des Schmelzvorgangs bisher nicht nachweisbar waren. Das System nutzt die Steuerungen von Consarc zur Überwachung von Ofenstrom, Spannung, Vakuumniveau, Wägezelle, Stempelposition/-geschwindigkeit und elektromagnetischer Rührwirkung. Anschließend integriert VARmetric die Messungen der Magnetfelder an einer Vielzahl von Stellen im gesamten VAR, um die Position des Lichtbogens im Inneren des VAR abzubilden.

 

Das Ergebnis sind Echtzeitdaten, die Folgendes zeigen:

  • Diagramme der Betriebskennwerte des Ofens (Strom, Spannung, Vakuum, Schmelzrate, Stößelgeschwindigkeit usw.)
  • Radiale Bogenposition, überlagert auf Videobildern der VAR-Ringraumkameras
  • Verteilung des Bogens über die Zeit
  • Elektrodenform und -position als Funktion der Zeit
  • Alarme bei Seitenlichtbogen, vergrößerten Lichtbogenabständen, sonstigen ungewöhnlichen Ereignissen oder Elektrodenbewegungen
var Sensoren
VAR-Sensoren
Quelle: Ampere Scientific

Diese Daten stehen dem Betreiber bereits während der Herstellung des Barrens zur Verfügung und können als Teil der Rückverfolgbarkeitskette für jeden qualifizierten Legierungsbarren verwendet werden. Anhand dieser Informationen lässt sich im Rahmen des Digital Twinning die Wahrscheinlichkeit von Erstarrungsfehlern während des Betriebs berechnen. Dies gibt Metallproduzenten, Motoren-Erstausrüstern (OEMs) und Aufsichtsbehörden mehr Sicherheit, dass die von ihnen verwendeten Werkstoffe konsistent hergestellt werden und den hohen Belastungen standhalten, denen sie in extremen Umgebungen ausgesetzt sind. VARmetric erfasst Daten während des gesamten Schmelzprozesses und erstellt eine detaillierte Karte zur Bewertung der Barrenqualität, lange bevor mikroskopische oder makroskopische Qualitätsprüfungen an fertigen Bauteilen durchgeführt werden. VARmetric kann mit zunehmender Reife der Technologie und wachsenden Datenbeständen zu einem Frühwarnsystem werden, das es den Bedienern ermöglicht, bereits während des Schmelzvorgangs proaktiv zu reagieren, um ein Überschreiten der Prozessgrenzwerte während der Produktion zu vermeiden – was zu durchweg optimalen Ergebnissen bei jeder Schmelze und zu jeder Zeit führt.

Mit diesen Leitlinien lassen sich Erstarrungsfehler reduzieren und das Vertrauen in die Qualität der Gussblöcke stärken. Hochwertigere Gussblöcke führen zu hochwertigeren Bauteilen, die dazu beitragen, dass die nächste Generation von Flugzeugen leichter, schneller, stabiler und sicherer fliegen kann.

 

Quelle: Aerospace Manufacturing & Design

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