Turbinenschaufeln schleifen, polieren und finishen

Turbinenschaufeln gehören zu den hochbeanspruchten Bauteilen in Gas- und Dampfturbinen sowie in Flugzeugtriebwerken. Beim Schleifen und Polieren von Turbinenschaufeln sind höchste Anforderungen and Präzision, Reproduzierbarkeit und Oberflächenqualität erforderlich. Ihre Oberflächenqualität hat direkten Einfluss auf Wirkungsgrad, Lebensdauer und Betriebssicherheit der gesamten Turbine.

Insbesondere bei Flugzeugtriebwerken und auch bei Gasturbinen der neuen Effizienzklasse gelten höchste Anforderungen an Präzision, Reproduzierbarkeit und eine thermisch schonende Bearbeitung. Beim Schleifen, Polieren und Finishen von Turbinenschaufeln sind daher kontrollierte Prozesse und eine gleichbleibend hohe Oberflächenqualität entscheidend.

Turbinenschaufeln bestehen häufig aus hochfesten Werkstoffen wie Nickelbasislegierungen oder Titan, die beim Schleifen empfindlich auf Wärme reagieren. Unkontrollierte Temperaturen können zu Gefügeveränderungen, Oberflächenschäden oder reduziertem Bauteilverschleiß führen.Wesentliche Anforderungen an die Bearbeitung sind daher:

• kontrollierter und gleichmäßiger Materialabtrag
• definierte Oberflächenrauheit
• thermisch schonende Prozessführung
• hohe Wiederholgenauigkeit, insbesondere im MRO-Bereich

Diese Anforderungen gelten sowohl für neue Turbinenschaufeln als auch für Reparatur- und Aufarbeitungsprozesse. 

Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken unterliegen extremen thermischen und mechanischen Belastungen. Bereits kleinste Oberflächenfehler können den Wirkungsgrad beeinflussen oder zu vorzeitigem Verschleiß führen. Turbinenschaufeln werden in der Luftfahrt auch als Airfoils bezeichnet.

Typische Anforderungen in der Luftfahrt sind:

• enge Toleranzen bei Form und Oberflächenrauheit
• schonende Bearbeitung sicherheitsrelevanter Bauteile
• reproduzierbare Prozesse für Serienfertigung und MRO
• stabile und dokumentierbare Prozessparameter

Das präzise Schleifen, Polieren und Finishen von Turbinenschaufeln und Airfoils ist daher ein zentraler Schritt in der Fertigung und Instandhaltung von Flugzeugtriebwerken.

Das Schleifen von Turbinenschaufeln im Nassschliff mit Kühlmittel (coolant) bietet entscheidende Vorteile gegenüber trockenen Verfahren. Durch den gezielten Einsatz von Kühlmittel wird die Wärmeentwicklung im Schleifprozess deutlich reduziert.

Vorteile des Nassschliffs:

• Vermeidung thermischer Schädigungen der Bauteiloberfläche
• Erhalt der metallurgischen Eigenschaften
• verlängerte Standzeiten der Schleifbänder
• geringere Staubemissionen und saubere Arbeitsbedingungen

Gerade beim CNC-Bandschleifen komplexer Schaufelgeometrien sorgt der Nassschliff für stabile, reproduzierbare Ergebnisse – sowohl bei Turbinenschaufeln für Energieanlagen als auch für Flugzeugtriebwerke.

Automatisierte CNC-Lösungen ermöglichen heute das präzise Schleifen, Polieren und Finishen von Turbinenschaufeln auch bei komplexen Freiformgeometrien.

Gegenüber manuellen Prozessen bieten sie klare Vorteile:

• konstante Qualität über Serien und Einzelteile
• ein höherer Abtrag verglichem zum manuellen Bandschleifen und damit die Möglichkeit vorgelagerte Fräsprozesse zu Optimieren und somit Zeit und Fräserkosten einzusparen
• reduzierte Abhängigkeit vom Bediener
• bessere Prozesssicherheit und Dokumentation
• wirtschaftliche Vorteile bei OEM- und MRO-Anwendungen

Die Oberflächenbearbeitung von Turbinenschaufeln spielt sowohl bei der Herstellung neuer Komponenten als auch in der Instandhaltung (MRO) eine zentrale Rolle – insbesondere in der Luftfahrt- und Energieindustrie.

Typische Anwendungen sind:

• Turbinenschaufeln für Flugzeugtriebwerke (OEM-Fertigung)
• Kompressor- und Turbinenschaufeln für Gasturbinen
• Reparatur und Aufarbeitung im MRO-Prozess
• Oberflächenfinish vor Beschichtungen (z. B. TBC)
• Entgraten und Finishen nach Fräsen, Gießen oder      Schweißen

Für automatisierte Schleif- und Polierprozesse von Turbinenschaufeln werden grundsätzlich zwei Konzepte eingesetzt: robotergestützte Schleifzellen oder spezialisierte CNC-Schleifmaschinen.

Robotersysteme werden häufig von Integratoren als flexible Automatisierungslösung angeboten. Dabei befinden sich Werkstück und Werkzeug jedoch in einer frei konfigurierten Roboterzelle. Das Bauteil ist nicht fest in einem definierten Maschinenkoordinatensystem referenziert. Deshalb müssen Werkstücklage und Werkzeugposition in solchen Systemen häufig kontinuierlich vermessen und korrigiert werden, um reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse zu erreichen.

Bei CNC-Schleifmaschinen basiert der Prozess hingegen auf dem standardisierten Koordinatensystem einer Werkzeugmaschine. Das Werkstück wird in einer definierten Spannvorrichtung – beispielsweise einer Standardvorrichtung von LANG Spanntechnik – fixiert und ist damit eindeutig im Maschinenkoordinatensystem referenziert. Dadurch kann die Orientierung und Ausrichtung der Turbinenschaufel exakt definiert werden, ohne dass während der Bearbeitung ständig zusätzliche Messsysteme erforderlich sind.

Ein weiterer Vorteil von CNC-Schleifmaschinen ist die hohe mechanische Präzision und Steifigkeit der Werkzeugmaschine. Diese ermöglicht eine kontrollierte Bearbeitung auch bei anspruchsvollen Werkstoffen wie Nickel-Superlegierungen oder Titanlegierungen, die häufig in Turbinenschaufeln eingesetzt werden.

Darüber hinaus wird die Bearbeitung in vielen Anwendungen im Nassschliff durchgeführt, wodurch Schleifstaub vermieden und eine stabile Prozessführung erreicht werden kann.

Auch die eingesetzte Steuerungstechnik spielt eine wichtige Rolle. CNC-Schleifmaschinen basieren häufig auf etablierten Industriesteuerungen wie der Siemens Sinumerik ONE, die in vielen Fertigungsbetrieben als Standard gilt. Bediener und Programmierer sind mit solchen Steuerungen vertraut, was die Integration in bestehende Produktionsumgebungen erleichtert.

Die Programmierung erfolgt typischerweise über etablierte CAM-Systeme wie Mastercam, sodass CAD-Daten direkt zur Erstellung von Schleifprogrammen genutzt werden können. In vielen Fertigungsbetrieben ist diese Software bereits im Einsatz.

Robotersysteme hingegen erfordern häufig spezielle Programmiersysteme und zusätzliche Integrationsschritte, was die Einführung solcher Systeme komplexer machen kann.

Ein Vergleich beider Technologien wurde auch in einer Machbarkeitsstudie bei Doncasters Precision Castings in Bochum durchgeführt. Dort wurden robotergestützte Schleifprozesse und CNC-Schleifmaschinen gegenübergestellt. Das Unternehmen entschied sich anschließend für CNC-basierte Schleifmaschinen, unter anderem aufgrund der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, der Oberflächenqualität, der ausreichenden Abtragsleistung sowie der Möglichkeit des Nassschleifens ohne Staubentwicklung. 

Heute werden dort mehrere CNC-Schleifmaschinen für die Serienbearbeitung von Turbinenschaufeln eingesetzt.