Success Story

Rohteil rein – Fertigteil raus

Starrag-FFS sorgt für vollautomatisierte Turbinenschaufel-Produktion

Das jüngste von der Starrag Group konzipierte und realisierte Flexible Fertigungssystem (FFS – Flexibles Fertigungssystem) geht nach China. In einem Unternehmen der dortigen Luftfahrtindustrie wird es jährlich 35.000 aus Inconel oder Titan geschmiedete Turbinenschaufeln vollautomatisiert komplettbearbeiten. Der Bediener muss lediglich die Rohteile ins Magazin einlegen und die einbaufertigen Schaufeln wieder entnehmen. 

Flexible Fertigungssysteme liegen weltweit im Trend. Insbesondere die Luftfahrt- und Energieindustrie nutzen die qualitativen und wirtschaftlichen Vorteile, die eine solche automatisierte Serienfertigung bietet. Premiumlieferant für besonders anspruchsvolle Systeme ist die Starrag, die seit über zwanzig Jahren FFS zur Herstellung von Turbinenkomponenten und Strukturbauteilen für Flugzeuge konzipiert und liefert. Rund 60 automatisierte Mehrmaschinenanlagen sind in dieser Zeit entstanden und haben für einen reichen technologischen Erfahrungsschatz gesorgt. 

Dr. Markus Ess, Entwicklungsleiter am Starrag-Standort Rorschacherberg erklärt: „Neben unsere Kernkompetenzen im Bereich der Werkzeugmaschinen, der Werkzeuge, der Vorrichtungen und des CAM-Systems besitzen wir grosses Know-how bei Turn-Key-Projekten. In den FFS ergänzen wir unsere Zerspanungstechnik mit Automatisierungskomponenten und allen anderen benötigten Bestandteilen, so dass der Kunde von uns ein komplettes, prozesssicheres Produktionssystem erhält.“

Die jüngste Anlage stellte so hohe Anforderungen wie noch keine zuvor. Das von einem Luftfahrtunternehmen georderte FFS sollte in der Lage sein, pro Jahr 35.000 Turbinenschaufeln – bestehend aus vier verschiedenen Schaufeltypen in einem Grössenbereich von 80 bis 200 mm – automatisiert zu bearbeiten. Es handelt sich um sogenannte Verstellleitschaufeln, die im stehenden Teil der Turbine verstellbar gelagert sind, so dass sie die Strömung bzw. den Schub nach Bedarf verändern können. Da die effektiven Losgrössen der vier Typen bei etwa 200 Stück liegen, muss das FFS nicht nur für hohe Präzision und entsprechenden Durchsatz sorgen, sondern auch grosse Flexibilität an den Tag legen. 

Anspruchsvoller Produktionsprozess

Bisher lief die Schaufelproduktion ohne grössere Automatisierung auf verschiedenen Einzelmaschinen ab und die Turbinenschaufeln wurden abschliessend noch von Hand poliert. Daher hatte der Kunde klare Vorstellungen vom neuen Starrag FFS und dem zusätzlichen Nutzen: Der Prozess sollte durch moderne Fertigungstechnologie gestrafft werden – bei maximaler Prozesssicherheit und höherer Qualität im Endergebnis. Besonderer Wert wurde auf die Automatisierung gelegt, um jegliche Fehler durch manuelle Tätigkeiten zu vermeiden.

„Das FFS soll gewissermassen ein Black-Box-System sein, bei dem der Bediener nur noch eingangs ein Magazin mit Rohteilen bestückt und diesem am Ende einbaufertige Turbinenschaufeln entnimmt“, konkretisiert Markus Ess. „Eine grosse Herausforderung war die Auslegung des Gesamtprozesses. Welche Operationsreihenfolge ist sinnvoll? Wie kann das Handling stattfinden?“

Um zum Beispiel bei Wartungsarbeiten nicht die gesamte Anlage stilllegen zu müssen, gliederte das Entwicklungsteam um Markus Ess die Anlage in zwei nahezu identische, redundante Bereiche. Sie enthalten je einen Rüstbereich, einen an einem 20 Meter langen Portal montierten Roboter fürs Handling, eine Waschanlage, einen Polierroboter, ein Koordinatenmessgerät und eine Beschriftungsanlage. Die zentrale Aufgabe der Zerspanung übernehmen insgesamt sieben Starrag LX 021 Bearbeitungszentren, von denen vier der einen Seite und drei der anderen zugeordnet sind.

markus ess

Roboter übernimmt das gesamte Handling

Ein Materiallager, das der Anlagenbediener mit Rohteilen bestückt, ist gewissermassen die Schnittstelle zur automatisierten Zelle. Dort nimmt der Portalroboter einen Schmiederohling auf, spannt ihn in die erste Vorrichtung und sorgt für den Transport zu den Bearbeitungszentren. Dort findet zunächst ein Messvorgang statt, bei dem die zu produzierende Fertigteilgeometrie in den Schaufelrohling eingemessen wird, dieser Vorgang findet direkt im Bearbeitungszentrum statt. Zudem wird in dieser ersten Operation die Spannstelle für das zweite Setup angefräst. Anschliessend spannt der Roboter das Bauteil in eine andere Vorrichtung, die er wieder zu den Maschinen bringt. Er bestückt damit ein Palettensystem, das auch als kleines Zwischenlager fungiert, um Transport und Zerspanungsprozess zu entkoppeln.

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Starrag-Zentren übernehmen die hybride Komplettbearbeitung

Im nächsten Schritt werden die aus Inconel oder Titan geschmiedeten Rohlinge zerspant. Dazu ist neben der fünfachsigen Fräsbearbeitung des Schaufelblattes auch das Drehen von zwei Wellenansätzen erforderlich, die das Verstellen der Schaufel im späteren Einsatz ermöglichen. „Für diese hybride Komplettbearbeitung bietet sich unsere LX 021 an, ein Bearbeitungszentrum, das auf kleine Bauteile – primär für Luftfahrttriebwerkschaufeln – ausgerichtet ist“, erklärt Markus Ess.

Die Starrag LX-Baureihe wurde für die hochgenaue, effiziente simultane 5-Achs-Bearbeitung von Turbinenschaufeln entwickelt. Die kleinste Ausführung ist die LX 021, „die als erste Schaufelmaschine auch vernünftig drehen kann“, betont der Entwicklungsleiter. „Dazu ist sie mit einer schnell drehenden Rundachse ausgestattet, die Drehzahlen bis zu 4000 min-1 erreicht. Für die Komplettbearbeitung der kleinen Schaufeln mit Wellenansätzen von etwa 10 mm ist das unerlässlich.“ Was die Fräsbearbeitung anbelangt, erreicht die LX 021 am freigeformten Schaufelblatt die geforderte Hochpräzision. Dafür sind nicht allein die hochwertigen Maschinen verantwortlich, sondern auch die Kompetenz bezüglich des Bearbeitungsprozesses. So kommt sowohl die von Starrag entwickelte CAM-Software RCS zum Einsatz, um die Fräsprogramme zu erzeugen, als auch eigene VHM-Fräswerkzeuge, die für optimierten Spanabtrag sorgen.

Aufgrund der zu produzierenden Jahresstückzahl errechneten die Starrag-Entwickler, sieben der LX 021-Bearbeitungszentren in das FFS integrieren zu müssen. Sie sind alle identisch ausgestattet und können die gleichen Aufgaben wahrnehmen. 

Hochwertige Komponenten ergänzen 
die automatisierte Fertigungszelle

Nach der Zerspanung bringt der Portalroboter die Bauteile zur Waschstation. Von allen KSS-Rückständen befreit, steht anschliessend der Polierprozess an. Ein darauf spezialisierter Roboter sorgt dafür, dass die hohen Oberflächenanforderungen erfüllt werden. Anschliessend erfolgt die Endkontrolle in einer 3D-Koordinatenmesszelle. Dort werden alle mit dem Kunden abgestimmten Merkmale überprüft. Als nächstes wird die Turbinenschaufel mit einer individuellen Identifikationsnummer markiert. Damit lassen sich zu einem späteren Zeitpunkt alle Produktionsschritte nachverfolgen. Schliesslich nimmt der Portalroboter das komplett gefertigte Bauteil aus der letzten Vorrichtung und legt es ins Materiallager zurück. Der Bediener kann das Fertigteil entnehmen.

Die gesamte Anlage wird von einem Leitrechner mit PPS-System gesteuert, für den das Entwicklungsteam um Markus Ess alle erforderlichen Funktionen und Strategien definiert hat. Der Entwicklungsleiter weist noch darauf hin, dass zum Auftrag nicht nur die Zelle gehört, sondern die Starrag Group auch für angekoppelte Nebenprozesse wie zum Beispiel das Rüsten der Werkzeuge verantwortlich ist. „Wir stellen geeignete Geräte zum Schrumpfen und Vermessen bereit und sorgen für die zuverlässige Datenübermittlung ins FFS, damit den Steuerungen der Bearbeitungszentren stets die richtigen Werkzeuggeometrien zur Verfügung stehen.“

Da die Starrag Group bei solchen Fertigungssystemen in der Regel als Generalunternehmer auftritt, der von der Anlagenplanung bis zur schlüsselfertigen Lieferung die komplette Verantwortung übernimmt, achtet das Unternehmen bezüglich der ergänzenden Komponenten streng auf geeignete Partner und Lieferanten. Für Markus Ess ein „Muss“ im Sinne des Kunden: „Wir arbeiten ausschliesslich mit führenden Unternehmen zusammen, die unser hohes Niveau hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Verfügbarkeit mitgehen können.“

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