KW 24/2019

Explosionskraft gegen Verschleiß

Die LSP-Anlage am ZAL TechCenter – eine von weltweit nur drei Maschinen
Die LSP-Anlage am ZAL TechCenter – eine von weltweit nur drei Maschinen
So elegant Flugzeuge am Himmel zu schweben scheinen: Sie sind im Flug extremen Temperaturschwankungen, unterschiedlichsten Wetterlagen mit Blitz, Eis und Stürmen sowie bei der Landung starken Bremsbelastungen ausgesetzt. Damit die Flugzeugstruktur diesen Belastungen über Jahrzehnte trotzt und möglichst wenig ermüdet, wird sie mit speziellen Verfahren behandelt. Das Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) in Hamburg hat nun die europaweit erste kommerziell erhältliche Anlage für ein neuartiges Verfahren installiert – und arbeitet damit präziser als mit bisherigen Verfahren.

Es geht um das sogenannte Laser Shock Peening, kurz LSP. Dabei wird ein Bauteil aus Metall mit einer lichtundurchlässigen Folie beklebt, über die ein feiner Film aus Wasser läuft. Die zu behandelnde Stelle wird mit einem hochenergetischen Laser beschossen: Das dadurch entstehende Plasma explodiert förmlich an der Oberfläche des Bauteils und die Explosionswelle bringt dabei Verformungen in das Material ein – zielsicher eingefangen durch die Wasserschicht. Man kann es sich vorstellen wie einen Silvesterböller, der gezündet wird und über den zuvor eine Decke gelegt wurde, die die Explosion begrenzt. Diese lokal eingebrachten kleinen Verformungen erzeugen Druckeigenspannungen im Material, die sich positiv auf die Ermüdungseigenschaften des Bauteils auswirken.

Hohe Präzision

Das Verfahren eignet sich, um die Oberflächen nach Produktionsprozessen resistenter gegen Ermüdungserscheinungen zu machen. Ein Beispiel sind etwa die Triebwerkschaufeln, die oft an der Verbundstelle verschleißen: Durch die hohe Dauerbelastung entstehen dort im Laufe der Zeit winzige Risse – ist die Oberfläche mit LSP behandelt, verzögern sich die Abnutzungserscheinungen oder unterbleiben ganz.

Gegenüber dem bislang genutzten Verfahren, dem sogenannten Kugelstrahlen, hat LSP erhebliche Vorteile: Trotz der martialisch anmutenden Energieentladung ist es deutlich präziser. Zudem punktet es in Sachen Umweltschutz, da hauptsächlich mit Licht und Wasser gearbeitet wird. Im Gegensatz zu dem Kugelstrahlen, können mit der LSP-Behandlung bis zu 20 mal tiefere Eindringtiefen erreicht werden.

Weltweit eine von nur drei Anlagen am ZAL

Allerdings: Bislang gab es weltweit nur zwei Maschinen für das LSP-Verfahren von der Firma LSP Technologies, keine davon in Europa. Mit der Installation einer dritten Maschine am ZAL TechCenter ist LSP nun erstmals großflächig auch in Europa im Forschungsumfeld anwendbar. Mit einer Summe von 2,6 Millionen Euro ist es die bis dato größte Einzelinvestition in der Geschichte des ZAL. Die Maschine steht Flugzeugherstellern für die Behandlung von einsatzfähigen Bauteilen zur Verfügung. Sie wird zudem für Forschungszwecke als Testinfrastruktur genutzt.

Das Verfahren ist ein Paradebeispiel für erfolgreiche Spill-over-Effekte aus der militärischen Luftfahrt. LSP wird bereits seit den 1990er Jahren im US-Militärbereich eingesetzt. Seit einigen Jahren profitiert auch die zivile Luftfahrt von den Vorteilen, nun auch in Europa. Das ZAL und damit die deutsche Luftfahrtforschung steigen mit der neuen Anlage zur internationalen Spitzengruppe in diesem Bereich auf.