Forschung an High-Tech Turbinenschaufeln für MTU, Rolls-Royce und viele weitere Partner: Das Aachener Forschungsinstitut Access e.V. setzt auf Kawasaki Roboter im Feingussverfahren für die Entwicklung der Komponenten der Zukunft 

Seit seiner Gründung 1986 als Spin-Off der RWTH Aachen hat sich das gemeinnützige, unabhängige Forschungsinstitut Access e.V. fest als Innovator für Materialforschung und neuartige Fertigungsverfahren etabliert. Im Aachener TechCenter werden gießtechnische Herstellungsprozesse und neue Werkstoffe für ein breites Spektrum industrieller Anwendungen entwickelt und qualifiziert. Der Fokus der Arbeit liegt auf modernen Feingussverfahren. Namhafte Partner aus der  Luft- und Raumfahrtindustrie  setzen dabei auf die Expertise der Access Ingenieure, darunter Airbus, Rolls-Royce und MTU Aero Engines. Durch lange Prozessketten mit mehr als 100 Arbeitsschritten gestaltet sich der Feinguss äußerst anspruchsvoll – insbesondere bei der Entwicklung neuer Bauteilgeometrien. Seit mehr als 10 Jahren setzt Access dabei auf einen Kawasaki Robotics ZX130L um die anspruchsvollen Projekte präzise und schnell umzusetzen.

Forschung im Industriemaßstab

Kunden und Partner kommen dabei nicht für Serienfertigung auf das Access Team zu, sondern für Forschung, die sich im industriellen Maßstab umsetzen lässt. „Generell gilt: Je komplexer eine Bauteilgeometrie, desto eher kommt das Feingussverfahren zum Einsatz“, sagt  Martin Hamacher, Projektleiter in der automatisierten Fertigung. Insbesondere in der Luftfahrtforschung werden High-Tech Prozesse und komplexe Geometrien zunehmend gefragter. Konventionelle Gussverfahren kommen dabei oft an ihre Grenzen – etwa bei anspruchsvollen Werkstoffen wie Titan. „Häufig kommen Gießereien auf uns zu, wenn sie Entwicklungsprojekte nicht bearbeiten können oder unsere Expertise brauchen. Wir kommen aus der Prototypenentwicklung, kleine Losgrößen sind für uns Alltag – und der enge Austausch mit der Industrie ist für uns essenziell“, so Hamacher.

Aktuell zeigt etwa das umfassende Luftfahrt-Forschungsprojekt GATE (in Zusammenarbeit mit industriellen Forschungspartnern und gefördert durch das BMWK), dass Automatisierung der Wegbereiter ist, um die wachsende Nachfrage nach komplexen Feingussbauteilen auf Dauer bedienen zu können.

Access schafft die Basis für Zukunftstechnologien

Die von Access entwickelten Bauteile, Materialien und Verfahren schaffen die Basis für Technologien der Zukunft. Doch der Weg von Forschung bis Serienfertigung ist lang: Trotz zunehmend beschleunigter Prozesse kann es bis zur Serienreife dauern. Insbesondere der Zertifizierungsaufwand ist hoch, etwa bei neuen Legierungen oder auch neuen Verfahren im in der Luftfahrtfertigung. „Viele Projekte sind sehr langfristig angelegt und bauen aufeinander auf. Natürlich wird nicht alles eines Tages serienmäßig in Turbinen verbaut, aber unsere Arbeit verkleinert zunehmend die Lücke zwischen Forschung und Industrie – und das ist immer unser Ziel“, erklärt Werkstoffingenieur Alexander Küll.

Das robuste Herzstück der Formschalenherstellung: Kawasaki Robotics ZX130L seit 10 Jahren im Einsatz

Automatisierung ist fester Bestandteil zahlreicher Projekte: Ein Kawasaki Roboter kommt primär bei der Entwicklung von Formschalensystemen und Gießtrauben zum Einsatz. Durch aufwendige Geometrien und geringe Wandstärken stellen Triebwerkskomponenten für Luftfahrzeuge – etwa für Rolls-Royce Turbinensysteme – stets eine signifikante Herausforderung dar. Mit einer Tragkraft von 130 kg und 2951 mm Reichweite wurde der Kawasaki Robotics ZX130L speziell für anspruchsvolle Umgebungen und Aufgaben wie diese entwickelt. Trotz seiner Tragkraft und Widerstandsfähigkeit gegenüber externen Einflüssen ist der Roboter extrem schnell, flexibel und verfügt über einen umfangreichen Arbeitsbereich.

Der ZX130L ist seit seiner Einführung 2014 bei Access im Einsatz, so Küll: „Zwischen hohen Mengen von Schlicker und Staub ist die Arbeitsumgebung extrem fordernd. Einmal im Jahr werden die Dichtungen gewartet, aber unser Kawasaki Roboter läuft seit über 10 Jahren absolut problemlos – und das sogar ohne zusätzliche Einhausung.“  Jedes Projekt ist anders: In dieser Zeit wurden weit mehr als 500 verschiedene Gießsysteme und Prozesse mit dem Roboter individuell entwickelt und umgesetzt. Der vom Systemhaus VA Tech installierte Roboter agiert als Herzstück inmitten einer umfassenden Prozesskette und muss flexibel auf die jeweiligen Ansprüche neuer Gießsysteme angepasst werden. Die eingeschränkte Fläche in einem Anbau des TechCenters wurde dabei optimal ausgenutzt.

KI-gestützte Qualitätskontrolle und Eliminierung von Abweichungen

Nach jeder Schicht führt der Roboter das Werkstück einem KI-gestützten Kamerasystem (entwickelt im LuFo VI-Forschungsprojekt FAST) zu, welches die Oberflächenbeschaffenheit – basierend auf gesammelten Industriedaten – einer zuverlässigen Qualitätskontrolle unterzieht. Ebenso werden die Werkstücke regelmäßig und automatisch gewogen, um Abweichungen zu erkennen. Hier wird der entscheidende Vorteil der automatischen Formschalenherstellung schnell deutlich: Bei der manuellen Herstellung zeigt die Varianz des Formschalengewichts je Gießaufbau immer wieder deutliche Abweichungen, wenn auch im akzeptablen Rahmen. Doch die robotergestützte Herstellung resultiert in einem nahezu vollständig konstanten Formschalengewicht ohne nennenswerte Varianz.

Kawasaki Roboter verkürzt Bearbeitungszeiten effektiv

Ein digitaler Zwilling der Anlage visualisiert kontinuierlich den Status der Anlage, alarmiert zuverlässig über Fehler und ermöglicht die flexible Vorgabe von Grenzwerten für verschiedene Werkstücke. Bedingt durch die hohe Anzahl an Schichten und die Trocken- und Arbeitszeiten, benötigt die manuelle Herstellung der keramischen Formschalen in der Regel über eine Woche. Auch hier werden die Vorteile des Roboters deutlich: Durch konstantes Arbeiten, auch über Nacht, wird die Bearbeitungszeit effektiv reduziert. „Die Herstellung ist für Mitarbeiter außerdem eine hohe körperliche Belastung. Durch den Einsatz des Roboters können wir sie schonen und ihr Know-how in anderen Bereichen nutzen“, so Alexander Küll.

Der Roboter bedient bei der Formschalenherstellung zwei Trockensysteme, drei Schlickerbehälter und drei Besander. Die zuvor einzeln in Matrizen gespritzten und zu einer Modelltraube zusammengefügten Wachsteile werden über ein Zufuhrsystem dem Roboter übergeben. Nach dem Eintauchen des Werkstücks in den Schlickerbehälter lässt der ZX130L es zunächst abtropfen und führt es dann einem Besander zu, der die Oberfläche mit Keramiksand versieht. Anschließend wird die Gießtraube einem Trockensystem übergeben. Nach der Trocknung wiederholt sich dieser Schritt automatisiert entsprechend der gewünschten Schichtfolge bis zur Versiegelungsschicht. Durch einen Laser ist der Roboter in der Lage, den exakten Füllstand des Schlickerbehälters zu erfassen, um somit die optimale Eintauchtiefe zu wählen.

Ausblick

Voraussichtlich 2027 steht der Umzug des Access TechCenters in das neue Production Launch Center Aviation (PLCA) an – spezifisch geplant für die Entwicklung modernster Herstellungsverfahren für sicherheitsrelevante Luftfahrtkomponenten. Martin Hamacher und das gesamte Access-Team haben bereits zahlreiche Pläne für den neuen Standort: „Wir haben den Platz im TechCenter gut ausgenutzt, aber wir planen, im PLCA die Automatisierung weiterer Prozessschritte im Industriemaßstab umzusetzen. Industrienahe Forschung funktioniert nur mit entsprechender Technologie – deshalb ist die industriefähige Automatisierung für uns eine Notwendigkeit. Durch eine Optimierung der robotergestützten Anlage, gelingt es uns die Formschalenherstellung mit dem bereits vorhanden ZX130L durch zusätzliche Töpfe und Besander noch flexibler zu gestalten und den potenziellen Arbeitsbereich zu erweitern.“

Der besondere Access Forschungscharakter wird aber auch im PLCA bewahrt, so Hamacher: „Unser Ziel ist es, Forschung nicht nur auf dem Papier zu betreiben, sondern direkt in die industrielle Praxis zu bringen. In der Prozessentwicklung gilt es daher trotz Automatisierung die Flexibilität nicht zu verlieren. Dies hat sich für uns mehr als bewährt und wird auch weiterhin die Grundlage unserer Forschung und Entwicklung bleiben.“