Die Anforderungen an Metallbauteile für die Luft- und Raumfahrt sind extrem hoch. Mit Hilfe der Hydroforming-Technik lassen sich komplexe Teile, die diese Ansprüche erfüllen, wirtschaftlich fertigen.
In keinem Einsatzgebiet sind die Anforderungen an die Herstellung von Metallbauteilen so hoch wie in der Luft- und Raumfahrt: Material und Schweißnähte von Flugzeugen, Raumfähren oder Satellitensystemen sind extremen Belastungen ausgesetzt, beispielsweise großen Temperatur- und Druckschwankungen, Strahlung, Salzwasser, Staub, Hagel- und Regenschlag – und dies häufig über Jahrzehnte. Gleichzeitig steigt der Druck auf die Branche, besonders leichte und kompakte Flugkörper zu bauen, um den Treibstoffverbrauch zu senken. Zudem sollen die Produktionskosten immer weiter reduziert werden. Gleichzeitig müssen die hohen Sicherheitsstandards der Branche weiterhin ohne Kompromisse erfüllt werden.
Die hohen Anforderungen führen dazu, dass die Luft- und Raumfahrtindustrie nach Verfahren sucht, um entsprechende Teile herstellen zu können. Immer öfter entscheiden sich die Hersteller für die Hydroforming-Technik, ein Metallumformverfahren, das sich bereits in Hochtechnologie-Branchen wie der Automobilindustrie etabliert hat. „Hydroforming eignet ideal, um die hohen Ansprüche an Präzision, Stabilität, Gewicht und Kosten der Luft- und Raumfahrtindustrie zu erfüllen“, betont Stefan Rossner, Marketing- und Vertriebsleiter in der Geschäftsleitung des Hydroforming-Spezialisten HDE Solutions GmbH, Menden.
Beim Hydroforming – auch Innenhochdruckumformung oder kurz IHU genannt – werden Rohre und Bleche mit Hilfe von Wasserdruck umgeformt. Das Verfahren bietet vielfältige Vorteile:
- Die Formgebung ist besonders präzise.
- Die Geometrien können exakter ausgeformt werden als beim klassischen Tiefziehen und anschließendem Verschweißen.
- Zeit und Kosten lassen sich einsparen. Speziell Geometrien, für die mehrstufige Tiefziehprozesse erforderlich wären, sind in einem Fertigungsschritt zu erzeugen.
- Infolge der Kaltverfestigung des Materials während des Umformprozesses können deutlich dünnwandigere und somit leichtere Bleche und Rohre bei gleichen Festigkeitsanforderungen verwendet werden.
Ein weiterer entscheidender Vorteil des Hydroformens von Rohren ist die Reduktion von Schweißnähten: Bauteile werden nicht durch Fügen mehrerer einzeln umgeformter Teile hergestellt, vielmehr wird ein Ausgangsrohr von innen unter Hochdruck gesetzt und in einem Stück ausgeformt. „Durch das Minimieren von Schweißnähten, die stets eine gefährliche Schwachstelle darstellen, ist die IHU-Technik geradezu prädestiniert für die Luft- und Raumfahrtindustrie“, merkt Rossner an.
HDE Solutions zählt zu den führenden Herstellern von Hydroforming-Bauteilen und ist zertifizierter Lieferant der Luft- und Raumfahrtindustrie. Seit fast zehn Jahren stellt das 250-Mitarbeiter-Unternehmen verschiedenste Bauteile für diese Branche her. Dabei sind hohe Qualitätsanforderungen zu berücksichtigen, denn das Versagen eines Bauteils ist oft mit hohen Risiken und Kosten verbunden. „Die absolute Zuverlässigkeit der Bauteile ist ein Muss“, weiß Rossner.
HDE fertigt unter anderem Hydroforming-Bauteile für eine 550 mm breite und 380 mm hohe Abgasdüse in der ersten Antriebsstufe der europäischen Trägerrakete Ariane 5 ECA. Das T-Stück mit der englischen Bezeichnung TEG Inlet Tube (TEG = Turbine Exhaust Gas Duct) ist Teil einer Ringleitung im Kühlsystem der Antriebsstufe. Dort fungiert es als Ansaugdüse für Abgase und Wasserstoff im Kühlprozess während des Starts. Die Anforderungen an die Konstruktion: hohe Präzision, niedriges Gewicht und Kostenreduktion bei geringen Stückzahlen.
Das T-Stück besteht aus vier ausgeformten Inconel-Blechen, die wie ein 3D-Puzzle zusammengesetzt sind. Wenn die Geometrie der Bauteile nicht exakt stimmt, muss jedes einzelne individuell angepasst werden, was viel zusätzliche Arbeit bedeutet. Das Hydroforming-Verfahren wurde gewählt, um die Präzision der Bleche sicherzustellen. Zudem wäre die komplexe Form der Bleche mit einem anderen Verfahren nur schwer und in mehreren Schritten zu erzeugen gewesen.
HDE schneidet zunächst per Laser vier flache Bleche zurecht. Sie bilden später die Innen-, Außen-, Ober- und Unterseiten des T-Stücks. Über ein- und maximal zweistufige Hydroforming-Prozesse wird jedes Blech in seine Form gebracht. Im Unterschied zum Innenhochdruckumformen von Rohren wird das Blech hier per Wasserdruck in die Gravur eines flachen Werkzeugs gedrückt. Das Wasser ersetzt eine der Werkzeugkomponenten. So lassen sich die Werkzeugkosten gegenüber dem konventionellen mehrstufigen Tiefziehen senken. „Zwar sind in der Luft- und Raumfahrttechnik Präzision und Qualität die Hauptkriterien bei der Herstellung“, erklärt Stefan Rossner, „doch spielen bei einer Stückzahl von zwanzig Bauteilen pro Jahr, wie im Fall des T-Stücks, auch die Werkzeugkosten eine Rolle.“
Die so ausgeformten Seiten des T-Stücks liefert HDE an den Auftraggeber Senior Aerospace Bosman B.V. nach Rotterdam. Dort werden sie an den überstehenden Kanten per Laser zurechtgeschnitten und stumpf aneinander geschweißt. Hierbei ist die genaue Formgebung der Bauteile entscheidend: Passen die Kanten nicht exakt aufeinander, muss zeit- und kostenintensiv nachgebessert werden. Das zusammengeschweißte T-Stück wird abschließend von HDE in einem IHU-Gesenk auf Maßhaltigkeit kalibriert.
Neben hydrogeformten Blechen liefert HDE auch IHU-Rohre für die Luft- und Raumfahrt. Einer der Kunden ist die EADS in Augsburg. Für sie stellt HDE 36 Bauteile einer SPS-Leitung im Tank des Eurofighters her. Das Leitungssystem spielt eine wichtige Rolle: Bei einem Triebwerksausfall während des Flugs ermöglicht es den Neustart. Versagt es ist das Flugzeug gefährdet. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Fertigung des Bauteils mit Sicherheitsstufe eins. Wegen des engen Bauraums muss die Leitung sehr kompakt gebaut sein – enge Radien und variable Querschnitte sind gefordert. Da sich das Teil innerhalb von Sekundenbruchteilen auf 600 °C erhitzt, wird ein schwer umformbarer hochtemperaturfester Stahl eingesetzt.
Die gestellten Anforderungen werden mit der IHU-Technik am besten erfüllt. Ein Hauptgrund ist die hohe Präzision und Komplexität der Bauteile: Da das 1500 mm lange Tankrohr mit 63 mm Durchmesser und etwa 1 mm Wanddicke exakt in den engen Bauraum eingepasst werden muss, sind die Endpunkte und damit der Verlauf des Rohres präzise im Raum festgelegt. „Da jedes der 36 Teile einen genauen Platz im 3D-System der Konstruktion einnimmt, ist eine exakte Formgebung entscheidend“, erklärt Rossner. „Passen die Anschlussstellen nicht, wird die ganze Konstruktion unbrauchbar.“ Die geforderten engen Fertigungstoleranzen seien nur mittels IHU zu erfüllen.
Zunächst wird ein Rohr in ein Werkzeug eingelegt, das den späteren Außenmaßen des Teils entspricht, und mit einer Wasser-Öl-Mischung gefüllt. Die Rohrenden werden mit Dichtstempeln verschlossen und das Rohr unter Druck gesetzt. Bei einem Druck von bis zu 4000 bar werden selbst sehr kleine Radien ausgeformt. Sämtliche gängigen Metalle von Stahl über Aluminium bis zu Messing und Inconel lassen sich so umformen.
Ein weiterer Grund für den Einsatz der IHU war die Reduktion der Schweißnähte. „Beim klassischen Tiefziehen hätten die Ober- und Unterschalen der Rohre mit hohem Aufwand verschweißt werden müssen“, erläutert Thomas Strobl, Centerleiter Rohre und Schweißen bei EADS Military Air Systems. „Das Resultat wäre eine niedrigere Präzision und mehr Schwachstellen.“ Da IHU-Teile aus einem bereits geschlossenen Rohr geformt werden, treten Schweißnähte an der Tankleitung nur noch an den Verbindungsstellen auf, nicht aber an der Seitenkante.
Eva Wagenbach Fachjournalistin in Köln
Schweißnähte reduziert
marktchancen
Stefan Rossner von HDE Solutions ist sicher, dass der Einsatz von Hydroforming in der Luft- und Raumfahrt erst am Anfang steht: „Die Anwendungsmöglichkeiten für Hydroforming-Teile in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind noch längst nicht ausgeschöpft. Die Nachfrage nach komplex geformten, wirtschaftlich günstigen Bauteilen steigt hier weiter an.“ Die Einsatzbereiche sind vielfältig: Für medienführende IHU-Rohre liegen sie im gesamten Abgasbereich von Flugzeugen und Raketensystemen. IHU-Bleche eignen sich unter anderem für Karosserie-Elemente und komplexe Turbinenbauteile.
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