Um die Erde und ihre Anziehung hinter sich zu lassen, braucht eine Rakete viel Energie. Das erledigen bei den europäischen Ariane-Trägerraketen zunächst die Feststoffbooster. Mit einem Schub von etwa 13.000 kN lassen sie die rund 800 t schwere Rakete in den ersten beiden Minuten vom Boden abheben. Die Hauptstufe mit dem Vulcain 2-Triebwerk liefert Schub bis die Rakete rund 9 min nach dem Start eine Höhe von etwa 160 km erreicht hat. Im Weltall bringt ein HM7B-Triebwerk die Oberstufe der Ariane 5 und das Vinci-Triebwerk jene der Ariane 6 auf die richtige Umlaufbahn.
Als Hauptauftragnehmer für die europäischen Trägerraketen Ariane 5 und 6 ist die ArianeGroup für deren gesamte Produktionskette verantwortlich. Das Unternehmen beschäftigt rund 7.000 Mitarbeiter in Frankreich und Deutschland. Das Joint Venture wird zu gleichen Teilen von Airbus und Safran gehalten und gehört zu den weltweit anerkannten Spezialisten für Raumfahrtausrüstung und -antriebe, Services und Weltraumüberwachung.
Zu den wichtigsten Standorten der ArianeGroup zählt Ottobrunn bei München. Hier befindet sich ein Kompetenzzentrum für Flüssigkeitsantriebe, wo Komponenten für die Raketen-Triebwerke entwickelt und produziert werden. Der Schwerpunkt dort liegt zurzeit auf den Schubkammern für das Hauptstufentriebwerk Vulcain 2.1 sowie das neue wiederzündebare Oberstufentriebwerk Vinci.
Ein Blick in die Welt der Raumfahrt
Das Herzstück des Vinci-Antriebs, die Schubkammer, wird in Ottobrunn entwickelt und hergestellt. Das Triebwerk nutzt tiefkalten, kryogenen Wasserstoff. „Zuerst umströmt der Wasserstoff die Brennkammer, kühlt sie herunter und verdampft dabei. Die entstehenden Gase werden als Antriebsmedium für die Treibstoffpumpen genutzt und anschließend zusammen mit dem Sauerstoff über den Einspritzkopf in die Brennkammer geleitet und verbrannt“, schildert Stefan Winter. Der Fertigungsleiter ergänzt: „Dieses sogenannte Expander-Cycle-Triebwerk gibt es weltweit nur einmal in dieser Performance.“
Winter gibt beim Rundgang durch die Produktion informative Einblicke: „Weil wir alle Prozesse für die Herstellung unserer Komponenten im Haus haben, ist die Durchlaufzeit sehr kurz. In unserem Produktionszentrum sind die meisten Prozesse vereint, von der spanenden Fertigung und dem Schweißen über die Integration bis zur Qualitätsprüfung. In benachbarten Gebäuden finden sich die Galvanik und die Bauteile-Reinigung.“
Jetzt reicht eine Maschine
Die meisten Triebwerksteile aus Ottobrunn werden auf einer WFL-Maschine des Typs M80 gefertigt. Eines dieser Teile ist der Brennkammer-Grundkörper. Das Drehen und Fräsen der Außenkontur erfolgte früher auf zwei Maschinen. Heute vereint die M80 Millturn beide Prozesse und gewährleistet eine stabile Aufspannung. Das ist besonders bei Teilen mit langer und schlanker Bauart wie der Vinci-Brennkammer wichtig.
Für den Grundkörper kommt eine Kupfer-Silber-Zirkon-Speziallegierung zum Einsatz. Sie zeichnet sich durch hohe Festigkeit, einen guten Wärme-Übergangswert und sehr gute Zerspanbarkeit aus. Das Material wird erst in Blöcke gegossen und dann in die gewünschte Form geschmiedet. Das Rohteil wird mittels Ultraschall geprüft und danach für die weitere Bearbeitung freigegeben. Die M80 übernimmt dabei 80 % der Workload.
Maschine kappt Bearbeitungszeit
Laut Stefan Winter brachte die Investition in die M80 mit 3000 mm Spitzenweite einen signifikanten Fortschritt hinsichtlich der Bearbeitungszeiten. Das Dreh-Fräs-Zentrum aus Linz ersetzte eine 3-Achs-Drehbank und eine 3-Achs-Fräsmaschine. Auf der Millturn wurde ein Nullpunktspannsystem implementierte, sodass das Rüsten nur noch einen Bruchteil der Zeit erfordert. Die Durchlauf- und Liegezeiten reduzierten sich so um mindestens 30 %. Ein weiterer Vorteil der M80 ist laut Winter das große Werkzeugmagazin. „Durch die Inconel-Bearbeitung haben wir immer vier bis sechs Schwesterwerkzeuge in Verwendung, was ausreichend Werkzeugplätze erfordert.“ Durch das modulare Konzept des Magazins lasse sich bei Bedarf sogar noch eine Magazinscheibe ergänzen.
„In der Vergangenheit waren für drei Prozesse drei oder mehr NC-Programme nötig. Jetzt haben wir für die gleiche Arbeit nur noch ein NC-Programm freizugeben und zu pflegen. Auch für das Configuration Management müssen weniger Daten gemanagt werden. Das war ein riesiger Schritt nach vorne“, so Winter.
Innovationsgeist bei Technik und Personal
Das Produktionsteam setzt die M80 auch für die Fertigung von Satellitenteilen, in der Entwicklung sowie für den Bau von Vorrichtungen ein. „Damit ist sie perfekt ausgelastet“, ergänzt Winter. „Ich bin außerdem ein Fan von Entwicklungsthemen, weil das zweifellos die Workload von morgen ist und wir uns immer wieder neuen Herausforderungen stellen müssen.“ So werden beispielsweise Schnittversuche für künftige Bearbeitungen auf der M80 durchgeführt, etwa die ersten Versuche mit Keramik-Schneidstoffen. Mittelfristig soll dieser Prozess für Inconel und Nickel qualifiziert werden.
Momentan arbeiten die Experten unter anderem an Komponenten für die Antriebe der Zukunft – Prometheus zum Beispiel. Die unterschiedlichen Versionen dieser Triebwerke sollen mit Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff sowie mit Flüssigsauerstoff und Methan betrieben werden. Es werden die ersten europäischen Triebwerke mit Verbrennungssteuerung sein, wobei sich der Motor an die Flugbedingungen der Trägerrakete in den unterschiedlichen Missionsphasen anpassen kann. Ein digitales System wird die Steuerung in einem Bereich von 30 bis 100 % des Maximalschubs sicherstellen. Zudem wird Prometheus insbesondere mit künstlicher Intelligenz und einem Health-Monitoring-System ausgestattet, das jederzeit eine Diagnose der Triebwerksfunktion ermöglicht.
Motivierte Mitarbeiter wichtig
„Für solch spannende Zukunftsprojekte können wir die WFL-Maschine sehr gut einsetzen“, sagt Winter. Um dies alles verwirklichen zu können, braucht es jedoch auch ein motiviertes Team an Ingenieuren und Facharbeitern. „Vor allem sind an so komplexen Maschinen wie der M80 gute und gewissenhafte Mitarbeiter notwendig. Wenn eine Endbearbeitung mit einem Wert von mehr als einer halben Million Euro auf der Maschine läuft, ist die Anspannung allen anzusehen.“
Für den Fertigungsleiter ist es besonders wichtig, den Arbeitsplatz für die Mitarbeiter interessant zu gestalten. Mittlerweile sind in der Fertigung in Ottobrunn überwiegend Meister und Techniker beschäftigt. „Gute Facharbeiter sind wissbegierig und müssen dementsprechend gefordert und gefördert werden. Aus diesem Grund erweitern wir die Programmierung um ein zusätzliches Programmiersystem. Unser mittelfristiges Ziel wird sein, dass ein Pool an Fachpersonal einer Maschine zugeordnet ist und diese auch vom Programmieren bis zur Fertigung des Bauteils eigenständig bedient“, blickt Winter in die Zukunft. Diese Job-Rotation werde dann auf weitere Maschinen übertragen.
Qualitätsanforderungen in der Raumfahrtextremhoch
Winter betont: „Wir arbeiten hier mit extrem teuren Materialien nach höchsten industriellen Standards und mit höchstem Qualitätsanspruch. Beim Raketenstart gibt es keinen zweiten Versuch, deshalb dürfen wir uns keine Fehler erlauben. Qualitätsbewusstes Personal ist hier zwingend erforderlich.“
Die Maschine ist mit einem Pick-Up-Magazin ausgestattet, für das die Ottobrunner zusammen mit WFL und Sandvik eine 1,4 m lange Sonderbohrstange beschafften, um auch die Vinci-Innenkontur auf der M80 bearbeiten zu können.
Weitere Anforderungen an die Maschine betrafen die Zuverlässigkeit und Präzision. Toleranzen von etwa 0,01 mm im geforderten Arbeitsbereich muss sie zuverlässig einhalten. Dabei spielen Temperatureinflüsse eine große Rolle. Deshalb ist die Fertigungshalle klimatisiert und die Maschine temperaturüberwacht.
Mit dem Softwarezyklus Utronix – der virtuellen U-Achse – fertigt die Ariane-Spezialisten Dichtflächen. Denn an bestimmten Werkstücken werden zirkulare Oberflächen benötigt und zwar in jedem Winkel. „Bei etwa 135 Grad müssen wir um eine 20er-Bohrung mit einer Bohrstange eine Dichtfläche mit 28 mm zirkular bearbeiten. Diese wird dann immer größer. Daher ist der Utronix-Zyklus bei uns oft im Einsatz und sehr wichtig.“
Der Fertigungsleiter unterstreicht die Möglichkeiten der M80 anhand eines Beispiels: „Wir waren aufgefordert einen Düsen-Demonstrator zu bauen. Die Herausforderung war, eine komplexe konische Innenkontur mit Kühlkanälen herzustellen. Nur durch die Stabilität der Maschine war der Räumprozess mit einer Länge von knapp 500 mm machbar. Durch die Kombination von Stabilität, Flexibilität und dem nötigen Arbeitsraum in der Maschine, kann man solche Sonderthemen einfach aufgreifen und umsetzen.“
Kontakt:
WFL Millturn Technologies GmbH & Co. KG
Wahringerstr. 36
A-4030 Linz
Österreich
Tel.: +43 732 6913–0
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