Hydroformverfahren Hydroforming in der Luft- und Raumfahrt

Redakteur: Karl-Ullrich Höltkemeier

Die Anforderungen an Metallbauteile zum Einbau in Flugzeuge, Raumfähren und Satellitensysteme sind extrem hoch. Immer häufiger entscheiden sich Hersteller daher für die Hydroforming-Technologie. Mit diesem Umformverfahren lassen sich komplex geformte, sehr stabile und gleichzeitig wirtschaftlich günstige Metallbauteile fertigen. Zudem ist Hydroforming durch die Vermeidung von Schweißnähten geradezu prädestiniert für die Luft- und Raumfahrtindustrie.

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( Archiv: Vogel Business Media )

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 extremsten Belastungen ausgesetzt. Und das häufig über mehrere Jahrzehnte. Gleichzeitig steigt der Druck auf die Branche, besonders leichte und kompakte Flugkörper zu bauen, um den Treibstoffverbrauch zu senken. Die hohen Sicherheitsstandards der Branche müssen dabei ohne Kompromisse weiterhin erfüllt werden.

Diese hohen Anforderungen führen dazu, dass die Luft und Raumfahrtindustrie nach immer neuen Technologien sucht, um entsprechende Bauteile herstellen zu können. Immer öfter entscheiden sich die Hersteller dabei für die Hydroforming-Technologie, einem Metallumformverfahren, das sich bereits seit Jahren, z.B. in der Automobilindustrie, etabliert hat.

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Höchste Präzision, geringes Gewicht und niedrige KostenDie HDE SOLUTIONS zählt zu den führenden Herstellern von Hydroforming-Bauteilen und ist zertifizierter Lieferant der Luft- und Raumfahrtindustrie. Seit fast 10 Jahren stellt HDE verschiedenste Bauteile für diese Branche her. Höchste Qualitätsanforderungen müssen dabei berücksichtigt werden. Denn das Versagen eines Bauteils ist häufig mit sehr hohen Risiken und Kosten verbunden.

HDE fertigt u.a. Hydroforming-Bauteile für eine 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 ersten Antriebsstufe. Dort fungiert es als Ansaugdüse für Abgase und Wasserstoff im Kühlprozess während des Starts. Die Anforderungen an die Konstruktion: höchste Präzision, geringes Gewicht und Kostenreduzierung bei sehr geringen Stückzahlen.

Für die Herstellung der Einzelteile der 55 Zentimeter breiten und 38 Zentimeter hohen Düse hat das niederländische Unternehmen Senior Bosman Aerospace, Hersteller von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie, die HDE SOLUTIONS beauftragt. Das T-Stück besteht aus vier ausgeformten Blechen, die Senior Bosman wie ein 3-D-Puzzle zusammensetzt.

„Wenn die Geometrie dieser Bauteile nicht exakt stimmt, müssen wir jedes einzelne Bauteil individuell anpassen“, erklärt Harald Overwater, CEO von Senior Bosman. „Das bedeutet eine Menge zusätzlicher Arbeit.“

Um die Präzision der Bleche zu gewährleisten, entschied man sich daher für das Hydroformingverfahren. Die komplexe Form der Bleche wäre mit einem anderen Verfahren zudem nur sehr schwer und in mehrfachen Schritten herstellbar gewesen.

HDE liefert neben hydroformierten Blechen auch IHU-Rohre für die Luft- und Raumfahrt. Einer der Kunden ist die EADS. Für sie stellt HDE 36 Bauteile einer SPS-Leitung im Tank des Eurofighters her. Dieses Leitungssystem ist dabei von höchster Wichtigkeit: Bei einem Triebwerksausfall während des Fluges ermöglicht das System den Neustart. Versagt die Leitung, ist das gesamte Flugzeug gefährdet.

Die Anforderungen an die Fertigung des Bauteils mit Sicherheitsstufe eins sind entsprechend hoch. Wegen des engen Bauraums muss die Leitung zudem sehr kompakt gebaut sein – kleinste Radien und variable Querschnitte sind gefordert. Da sich das Bauteil innerhalb von Sekundenbruchteilen auf 600 Grad Celsius erhitzt, kommt außerdem ein schwer verformbarer hochtemperaturfester Stahl zum Einsatz.

Enge Fertigungstoleranzen und kleine Radien

Anforderungen, die am besten mit der IHU-Technologie erfüllt werden können. Einer der Hauptgründe sind die große Präzision und Komplexität der Bauteile. Da das 150 Zentimeter lange Tankrohr exakt in den engen Bauraum eingepasst werden muss, sind die Endpunkte und damit der Verlauf des Rohres präzise im Raum festgelegt.

„Jedes der 36 Bauteile nimmt einen genauen Platz im 3D-System der Bauteilkonstruktion ein“, erklärt Stefan Rossner, Marketing- und Vertriebsleiter in der Geschäftsführung bei HDE Solutions. „Eine exakte Formgebung ist da entscheidend. Passen die Anschlussstellen nicht, wird die ganze Konstruktion unbrauchbar. Enge Fertigungstoleranzen müssen daher erfüllt werden. Nur mit der IH-Umformung, bei der auch sehr kleine Radien ausgeformt werden können, ist dies möglich.“

Ein Rohr wird dazu in ein Werkzeug eingelegt, das den späteren Außenmaßen des zu fertigenden Werkstücks entspricht und dann mit einer Wasser-Öl-Mischung gefüllt. Die Enden des Rohres werden nun mit Dichtstempeln verschlossen und das Rohr unter Druck gesetzt. Die Rohre werden quasi „aufgeblasen“. Bei einem Druck von bis zu 4000 bar werden selbst kleinste Radien ausgeformt. Sämtliche gängigen Metalle, von Stahl über Aluminium bis zu Messing und Inconel, lassen sich auf diese Weise verformen.

Reduktion der Schweißnähte

Ein weiterer Grund für den Einsatz von IHU war die Reduzierung der Schweißnähte. „Beim klassischen Tiefziehen hätten die Ober- und Unterschalen der Rohre mit hohem Aufwand verschweißt werden müssen“, erklärt Thomas Strobl, Centerleiter Rohre und Schweißen bei EADS Military Air Systems am Standort Augsburg. „Das Resultat wäre eine geringere Präzision und mehr Schwachstellen.“ Da IHU-Bauteile aus einem bereits geschlossenen Rohr geformt werden, treten Schweißnähte an der Tankleitung nur noch zwischen den Verbindungen auf, nicht aber an der Seitenkante.

Mit der Anzahl der Schweißnähte können auch weitere Arbeitsschritte vermieden und damit Kosten gesenkt werden. Denn jede Schweißnaht muss einer aufwändigen Qualitätskontrolle unterzogen werden.

Entscheidend sind Know-how und Erfahrung

Stefan Rossner ist sich sicher, dass der Einsatz von Hydroforming in der Luft- und Raumfahrt erst am Anfang steht: „Die Anwendungsmöglichkeiten für Hydroforming-Bauteile in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind noch längst nicht ausgeschöpft. Die Nachfrage nach komplex geformten und gleichzeitig wirtschaftlich günstigen Bauteilen steigt hier weiter an.“ Die Einsatzbereiche sind dabei vielfältig: Für medienführende IHU-Rohre liegen sie vor allem im gesamten Abgasbereich von Flugzeugen und Raketensystemen. Hydroformierte Bleche eignen sich u.a. für Karosserieelemente und komplex geformte Turbinenbauteile.

HDE SOLUTIONS

Tel. +49(0)2372 166 0

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