Simulationen sind eine Schlüsseltechnologie der Luftfahrt

Simulations­verfahren verändern Ent­wicklung und Pro­duktion – auch in der Luft­fahrt­industrie. Dank virtueller Fertigung werden Pro­zesse schneller, effizienter und öko­nomischer.

05.2016 | Autorin: Monika Weiner

Autorin:
Monika Weiner arbeitet seit 1985 als Wissenschaftsjournalistin. Die Diplom-Geologin interessiert sich vor allem für neue Entwicklungen in Forschung und Technik sowie deren gesellschaftliche Auswirkungen.

Jede Kerbe kostet Geld. Damit ein Trieb­werk die optimale Leis­tung erbringt, müssen die Ober­flächen der Turbinen­bau­teile spie­gel­glatt sein. Schon feinste Uneben­heiten erzeugen störende Turbulenzen, wenn die ver­dichtete Luft mit bis zu mehreren hundert Stunden­kilo­metern darüber strömt. Auch bei der Fer­tigung der Blade Integrated Disks, kurz Blisks, ist höchste Präzision gefordert. Eine echte Her­aus­forde­rung: Aus Titan-Scheiben mit mehr als einem Meter Durch­mes­ser muss eine komplizierte Geometrie her­aus­gefräst werden. „Schon minimale Schwingungen des Fräskopfs hinter­las­sen in der Oberfläche Riefen, die man nur durch aufwändige Nach­be­arbei­tung eliminieren kann. Im schlimmsten Fall ist die ganze Blisk unbrauchbar – Aus­schuss im Wert eines Klein­wagens“, erklärt Thomas Dautl, Leiter der Abteilung Fer­ti­gungs­tech­no­logien bei der MTU Aero Engines.

Die Rat­ter­marken, die der Fräser hinter­ließ, haben ihm jahre­lang Probleme bereitet: „Manche Blisks waren be­troffen, manche nicht – niemand konnte sich das er­klären.“ Erst als die Si­mu­lations-­Experten sich der Sache an­nahmen, wurde das Rätsel gelöst: Mit Hilfe von Computer­model­len fanden sie heraus, dass die Ro­tation des Fräskopfs Resonanzen in der Ti­tan­schei­be auslösen kann. Winzige Unter­schiede in der Geo­metrie und der Zu­sam­men­setzung der Scheibe entscheiden darüber, ob sie zu schwingen beginnt und den Fräs­kopf von seiner vor­ge­gebenen Spur ablenken. Die Si­mu­la­tionen zeigten auch, wie sich die un­er­wünschten Re­sonanzen verhindern lassen, beispiels­weise durch den Einbau von Dämpfungs­ele­menten oder einer Ver­änderung der Be­ar­beitungs­ge­schwin­dig­keit. Die Pro­duktion setzte diese Em­pfehlungen um und siehe da: Der Fräser hinter­ließ keine Rat­ter­marken mehr.

Schlüs­sel­tech­nologie der Luft­fahrt­industrie

Computerprogramme statt Trial and Error. Si­mu­la­tionen werden heute in der Luft­fahrt routinemäßig eingesetzt, um die Aero­dynamik von Flug­zeugen zu optimieren, den Sprit­ver­brauch zu senken, die Ge­räusch­be­las­tung zu ver­ringern, die Sicher­heit zu erhöhen, Material­aus­wahl und Pro­dukti­onspro­zes­se effizienter zu machen. „Numerische Si­mu­lationen sind eine Schlüs­sel­tech­nologie der Luf­tfahrt. Sie sind un­er­setz­lich, wenn es darum geht, Trieb­werke und Flug­zeuge zu entwickeln, zu optimieren und schneller auf den Markt zu bringen“, erklärt Dr. Edmund Kügeler, Ab­teilungs­leiter ­Numerische Methoden des Instituts für An­triebs­technik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR. „Ver­glichen mit dem klas­sischen Prüf­stand haben Si­mu­lationen den Vorteil, dass sie kos­ten­günstig sind: Man kann am Rechner Designs und Pa­ra­meter durch­rechnen, ohne kost­spielige Ver­suchs­objekte bauen und teure Experimente durch­führen zu müssen. Mit Si­mu­lations- und Optimierungs­techniken las­sen sich auto­matisiert im Computer optimale Lösungen finden.“

Video: Mischtest Artikel mit Video

Mischtest

In der Simulation eines additiv gefertigten Bauteils kann die Homogenität der Elemente im Metall bei additiven Fertigungsverfahren getestet werden. Zum Video ...

Bei der MTU werden Soft­ware­tools schon seit Jahren ein­gesetzt, um Probleme mit Eigen­schwingung zu lösen. Tra­ditionell lassen sich mit Hilfe von Si­mu­la­tionen aller­dings nur einzelne Fer­tigungs­schrit­te dar­stellen. „Für die verschiedenen Auf­gaben gibt es spezielle Tools, die unter­schied­lich detailliert und meist nicht kompatibel sind“, weiß Thomas Göhler, Spezialist für Computer­ge­stützte Analyse in der Werk­stoff­ent­wick­lung bei der MTU. „Weil ein Austausch zwischen den einzelnen Si­mu­lations­schrit­ten kaum möglich ist, können wichtige In­for­mationen nicht genutzt werden: Die Ma­te­ri­al­eigen­schaf­ten der Titan-Scheibe bei­spiels­weise sind nicht nur wichtig für die Steuerung des Fräsers, sondern haben auch Aus­wirkungen auf die Per­formance der Blisk.“

„Tatsächlich steckt in den Si­mu­la­tions­tech­niken viel mehr Potenzial als bisher genutzt wird“, davon ist auch Dr. Andreas Fischersworring-Bunk, Leiter Werkstoff- und Schadens­model­lie­rung, über­zeugt. „Man könnte die Effizienz im Trieb­werks­bau enorm steigern, wenn es gelingen würde, den gesamten Fer­tigungs­pro­zess von der Ma­terial­ent­wicklung bis zur finalen Prüfung dar­zu­stel­len und zu optimieren.“ Um dieses Ziel zu er­reichen, arbeitet er zusammen mit einem inter­dis­ziplinären Team an einem neuen, system­über­greifenden Ansatz.

Video: Numerische Methoden Artikel mit Video

Numerische Methoden

Strömung im Verdichter Rig 250 Zum Video ...

Ergebnisse aus Einzel­simula­tionen verknüpfen

Die Zauberformel heißt ICM²E, kurz für Integrated Computational Materials and Manufacturing Engineering. Welt­weit nutzen Forscher diese noch neue Methode, um die Material­ent­wicklung und Fertigung zu optimieren, indem sie Er­geb­nisse aus Einzel­si­mu­la­tionen verknüpfen. Das Ziel: alle Pa­ra­me­ter von der Werk­stoff­ent­wick­lung über den gesamten Pro­duktions­pro­zess so aufeinander abzustimmen, dass am Ende ein Bau­teil herauskommt, das exakt die ge­wünschten Eigen­schaf­ten hat.

Um das ICM²E-Konzept an die An­forderungen des Trieb­werks­bauers MTU anzu­passen, mussten Thomas Göhler und das Projekt-Team Pionier­arbeit leisten. Der Erfolg kann sich im wahrsten Sinn des Wortes sehen lassen: Auf dem Bild­schirm im Büro des Werk­stoff­kundlers rast ein virtueller Laser­strahl über virtuelles Metall­pulver. Blaue Körnchen schmelzen auf und wachsen zusammen. Nur ganz selten bilden sich rote Punkte – winzige, nur wenige mikro­meter­große In­homo­genitäten. Schicht für Schicht entsteht ein Bau­teil. Zu langsam? Mit einem Maus­klick ver­doppelt Göhler die Ge­schwindig­keit und schon geht alles viel schneller. Aller­dings ent­stehen jetzt größere rote Flecken, Ein­schlüs­se, in denen das Pulver nicht auf­ge­schmol­zen wurde. Dank eines neuen Si­mu­la­tions­tools, das Göhlers Team zusam­men mit Forschern vom Fraunhofer-Institut für Werk­stoff­mechanik IWM ent­wickelt hat, werden jetzt erstmals die Aus­wirkungen von Laser­energie und Ge­schwindig­keit auf die Ma­te­ri­al­eigen­schaf­ten sichtbar. Korn­größen und Fehler­zahl, die bei dieser Simulation ermittelt wurden, exportiert der Doktorand Tobias Maiwald-Immer in das nächste Com­puter­pro­gramm, das die Struktur des Werk­stoffs visualisiert. Jetzt kann man zusehen, wie die Kristalle wachsen: „Durch Kombination der verschiedenen Si­mu­la­tions­tools lässt sich erstmals zeigen, wie Fer­ti­gungs­para­me­ter beim Lasers­intern die Festig­keit beziehungs­weise Elastizität des Materials be­ein­flus­sen“, so Göhler.

Numerische Simulation Simulierte Druckverteilung für ein Verkehrsflugzeug im Landeanflug.

Maschinen­einstellung aus dem Computermodell

Das Bauteil, das auf seinem Bild­schirm langsam Form an­nimmt, gibt es wirklich: Die MTU fertigt das Bo­ros­kop­auge bereits serie­nmäßig additiv. Die op­ti­ma­len Ein­stellungen der Maschine wurden aus den Com­puter­model­len über­nommen. „Der Vergleich mit tat­sächlich gefertigten Materialien zeigt, dass die Vor­aus­sagen qualitativ mit den Er­gebnis­sen über­ein­stim­men, die die Sin­ter­anlage liefert“, berichtet Fischersworring-Bunk.

Ein Erfolg ist das auch für den Pro­jekt­partner Dr. Dirk Helm, Ge­schäfts­feld­lei­ter Fer­ti­gungs­pro­zes­se am Fraunhofer IWM: „Wir haben hier die Grund­lagen entwickelt für die industrielle An­wendung von ICM²E und gezeigt, was dieser An­satz leisten kann. Die Si­mu­la­tion macht deutlich, wie sich kleine Ver­änderungen innerhalb der Pro­zess­kette auf die Material­eigen­schaften aus­wirken. Daraus können wir genau ableiten, welche Fertigungs­parameter notwendig sind, um ein Bauteil mit ganz bestimmten Eigen­schaften herzustellen.“

(strich: Computersimulation) von Wirbeln an 
den Rotorblättern eines Helikopters. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Computersimulation von Wirbeln an
den Rotorblättern eines Helikopters.

1-hubschrauber

Computersimulation von Wirbeln an
den Rotorblättern eines Helikopters.

(strich: Numerische Strömungssimulation) an einer Airbus A380. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Numerische Strömungssimulation an einer Airbus A380.

2-A380

Numerische Strömungssimulation an einer Airbus A380.

(strich: Simulation) der Temperaturverteilung in einer zweistufigen Niederdruckturbine. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Simulation der Temperaturverteilung in einer zweistufigen Niederdruckturbine.

3-Temperatur

Simulation der Temperaturverteilung in einer zweistufigen Niederdruckturbine.

(strich: Simulation) von Turbulenzen in einer zweistufigen Niederdruckturbine. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Simulation von Turbulenzen in einer zweistufigen Niederdruckturbine.

4-Turbulenzen

Simulation von Turbulenzen in einer zweistufigen Niederdruckturbine.

Als nächstes wollen die Ingenieure bei der MTU simulieren, wie die einzelnen Fer­tigungs­schritte die Qualität der fertigen Blisks be­einflus­sen: „Das ist eine besondere Her­aus­for­derung, weil wir das Roh­material von externen Lieferanten bekommen, die miteinbezogen werden müssen“, betont Fischersworring-Bunk. „Nur diese können die Ausgangs­daten liefern, die wir brauchen, um die verschiedenen Be­arbeitungs­prozes­se so zu optimieren, dass wir die erforderliche Be­last­bar­keit erreichen.“

Simulationsgestützte Produkt- und Fertigungs­entwicklung

Und das ist noch nicht alles: Mit inte­grierten Simu­lationen lässt sich auch berechnen, wie lange die Produktion von Bauteilen dauert, wo es Ein­spa­rungs­poten­ziale gibt und wie die Maschinen opti­mal ausgelastet werden können. „Unser Ziel ist eine simu­lations­ge­stützte Produkt­ent­wicklung, die alles umfasst – von den mikroskopischen Material­eigen­schaften über sämtliche Fer­tigungs­schritte bis zum fertigen Trieb­werk“, resümiert Dautl. Eine Her­kules­auf­gabe, wenn man bedenkt, dass 1.000 Bauteile berück­sichtigt werden müssen.

Trends in der Simulationsentwicklung

Physikalisch­basierte Vorhersagen Konfidenz­bewertung Automatisierung von Simula­tionen Recheneffizienz Multi­disziplinäre Analysen und Optimierungen
Ziel
Abbildung realer Wechsel­wirkungen statt verein­fachter Korre­la­tionen. Zunehmende Substitution von Experimenten durch Simulationen. Beschleunigung und Verein­fachung von Arbeits­prozessen, Multi-User-Anwend­barkeit. Parallelisierung von Rechen­vorgängen, effiziente Handhabung immer größerer Datenmengen. Virtuelle Verknüpfung aller erforderlichen Fachdisziplinen zur Entwicklung und Herstellung von Turbinen­bauteilen.
Methode
Berücksichtigung von Zusammen­setzung, Herstellprozess, Mikro­struktur, inneren Fehlern, me­cha­nischen Eigen­schaften, Ver­arbeit­barkeit und Einsatz­per­for­mance von Werkstoffen. Systematischer Abgleich von Ergebnissen aus Simulationen und Experimenten. Verknüpfung von Simulationen, die aufeinander aufbauen, automatische Auswertungen. Weiterentwicklung von Hardware und Software für parallelisierte, schnellere Rechnungen in Hochleistungs­rechenzentren. Virtuelle Verknüpfung aller erforderlichen Fachdisziplinen zur Entwicklung und Herstellung von Turbinen­bauteilen.

Simulation in der Luftfahrtindustrie und deren Einsatzgebiete

Flugzeug Strukturmechanik Antriebstechnik
Ziel
Einsparungen bei der Entwicklung. Verbesserte Luftströmungen an Rumpf und Flügeln; Verringerung des Widerstands; Verhinderung von Turbulenzen. Einsparungen bei der Entwicklung und beim Test neuer Materialien; Modellierung der Belastbarkeit von Verbund-Werkstoffen. Einsparungen bei der Entwicklung. Verbesserte Material­eigenschaften; leistungsfähige, hocheffiziente und leise Triebwerke.
Einsatz­gebiete
Aerodynamische Simulationen helfen die Form zu optimieren um den Luft­widerstand und den Spritverbrauch zu senken. Simulationen erlauben die Berechnung der Form und Stabilität neuer, gewichtsparender Verbundmaterialien. Mit Simulationen lassen sich einzelne Bauteile aber auch komplexe Systeme optimieren: Durch Auswahl geeigneter Materialien und Fertigungsprozesse kann die erforderliche Belastbarkeit und Lebensdauer eines Bauteils sichergestellt werden.
MTU-Newsletter
MTU-Newsletter

Unser Newsletter informiert Sie regelmäßig über Hochtechnologie und exzellenten Service „made by MTU“. Wir blicken aber auch über den Tellerrand hinaus auf allgemeine Luftfahrtthemen.

Diese Artikel könnten Sie auch interessieren:

Blick in einen Triebwerks­prüfstand

11.2017 | Entwicklungsprüflauf oder Serienabnahme, gefordert werden je nach Zweck unter­schiedlichste Tätigkeiten, durch den Prüf­stand gibt es aber nur einen Weg. Abnahmeläufe finden zum Beispiel für das PW1100G-JM in München und für das TP400-D6 in Ludwigsfelde statt.

Triebwerke im Test

11.2017 | Obwohl der Einsatz von Computer­simu­la­tionen in der Luftfahrt­industrie steigt, bleiben reale Trieb­werks- und Kompo­nenten­tests unerlässlich. Die MTU verfügt über eine welt­weite Prüfstands­infra­struktur, ohne die Triebwerks­bau und Instand­haltung undenkbar wären.