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Text: Thomas Masuch
Kerosinkosten machen laut Daten der International Air Transport Association (IATA) inzwischen fast 30 Prozent der Gesamtkosten der Airlines aus und sind damit der größte einzelne Kostenblock. Beim Streben nach einem geringen Kerosinverbrauch spielen auch effizientere Triebwerke eine wichtige Rolle. Und bei deren weiterer Entwicklung setzt der Safran, einer der weltweit führenden Hersteller, unter anderem auf den Keraimk-3D-Druck.
So hat der Hersteller von Keramik-AM-Systemen Lithoz vor Kurzem berichtet, dass der französische Triebwerkhersteller Safran Aircraft Engines drei CeraFab-S65-Drucker in seinem Werk in Gennevilliers in der Nähe von Paris installiert hat, um eine neue Generation seiner Triebwerke zu entwickeln. Diese Investition ermöglicht es Safran, die Serienproduktion komplexer Gusskerne im industriellen Maßstab aufzubauen und damit die hohen Kühlungsanforderungen der Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken der nächsten Generation zu erfüllen, so Lithoz.
Der Grund für die Nutzung des Keramik-3D-Drucks ist die sogenannte Turbineneintrittstemperatur (TIT – Turbine Inlet Temperature), die ein wichtiger Faktor für die Effizienz eines Triebwerks ist. Generell gilt: Je höher die TIT, desto effizienter (im Sinne von kerosinsparender) kann ein Triebwerk betrieben werden. Studien von NASA und verschiedenen Universitäten haben ergeben, dass die Einsparung bei einer Erhöhung der TIT um 100 Grad Celsius rund 3 bis 6 Prozent betragen kann. Da verwundert es nicht, dass Triebwerke mit immer höheren Temperaturen arbeiten – in den vergangenen 80 Jahren ist die TIT von rund 1.100 K (entspricht rund 730 °C) auf mittlerweile über 2.100 K (rund 1.830 °C) gestiegen.
Solche Temperaturen belasten die einzelnen Komponenten, insbesondere die Turbinenschaufeln, sehr stark und sind nur durch die Kombination verschiedener technologischer Entwicklungen möglich, u. a. hochwarmfester Nickelbasislegierungen, Einkristallschaufeln (die in einem speziellen Gussverfahren hergestellt werden), keramischer Beschichtungen und ausgefeilter Kühlsysteme.
Und die Verbesserung der Kühlung soll durch den Einsatz der präzisen LCM-Technologie (Lithography-based Ceramic Manufacturing) von Lithoz möglich werden. Dabei entstehen nicht die Turbinenschaufeln auf dem 3D-Drucker, sondern die Gusskerne, mit denen die hoch belasteten Turbinenschaufeln in einem sehr komplexen Verfahren hergestellt werden. Dabei kommen spezielle Keramikformulierungen, die in den letzten Jahren gemeinsam von Lithoz und Safran entwickelt wurden, zum Einsatz. „Mit den Gusskernen aus Keramik können noch komplexere Kühlkanäle in den Turbinenschaufeln erreicht werden“, erklärt Nobert Gall, Leiter Marketing und Unternehmenskommunikation bei Lithoz.
Zu den Hauptprodukten von Safran gehören die LEAP- und CFM56-Triebwerke für Kurz- und Mittelstreckenjets sowie das M88 für den Militärjet Dassault Rafale. Bei welchem davon die Turbinenschaufeln, die mit den 3D-gedruckten Kernen hergestellt wurden, eingesetzt werden sollen und wann diese in Serie gehen, ist noch nicht bekannt. Aber allein die Tatsache, dass Safran gleich drei AM-Anlagen nutzt, interpretiert Gall als „ersten Schritt einer Serienproduktion. Weitere Schritte und Skalierungsgrößen werden sicherlich folgen.“ Und auch Johannes Homa, CEO von Lithoz, sieht in der Installation der drei Keramik-3D-Drucker bei Safran „einen echten Meilenstein sowohl für Lithoz als auch für die Luft- und Raumfahrtindustrie“.
