Die Herstellung von Flugzeugtriebwerken, ob Kolben- oder Düsentriebwerk, beinhaltet die Umwandlung von Rohstoffen in äußerst zuverlässige Präzisionsmaschinen. Die hochbelasteten Betriebsumgebungen im Luftverkehr erfordern den Einsatz einer breiten Palette hochfester Materialien. Sowohl herkömmliche als auch einzigartige Herstellungsverfahren werden verwendet.
Baustoffe
Flugzeugtriebwerke werden hauptsächlich aus metallischen Komponenten konstruiert, obwohl in den letzten Jahren Kunststoffverbundstoffe für bestimmte Teile eingeführt wurden. Verschiedene Aluminium- und Titanlegierungen werden dort eingesetzt, wo Festigkeit und geringes Gewicht im Vordergrund stehen (Strukturbauteile, Kompressorabschnitte, Triebwerksrahmen). Chrom-, Nickel- und Kobaltlegierungen werden dort eingesetzt, wo Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind (Brennkammer- und Turbinenabschnitte). An Zwischenstellen kommen zahlreiche Stahllegierungen zum Einsatz.
Da die Gewichtsminimierung bei Flugzeugen ein entscheidender Faktor für die Reduzierung der Lebenszykluskosten ist (Maximierung der Nutzlast, Minimierung des Kraftstoffverbrauchs), wurden kürzlich fortschrittliche Verbundwerkstoffe als leichter Ersatz für Aluminium, Titan und einige Stahllegierungen in Strukturteilen und Leitungen eingeführt wo hohe Temperaturen werden nicht erlebt. Diese Verbundstoffe bestehen hauptsächlich aus Polyimid-, Epoxid- und anderen Harzsystemen, die mit gewebten Glasfasern oder Graphitfasern verstärkt sind.
Fertigungsbetriebe
Im Flugzeugtriebwerksbau kommen nahezu alle gängigen Metallbearbeitungs- und Zerspanungsoperationen zum Einsatz. Dazu gehören Warmschmieden (Schaufeln, Verdichterscheiben), Gießen (Strukturbauteile, Triebwerksrahmen), Schleifen, Räumen, Drehen, Bohren, Fräsen, Scheren, Sägen, Gewindeschneiden, Schweißen, Löten und andere. Zugehörige Prozesse umfassen die Metallveredelung (Eloxieren, Chromatieren usw.), das Galvanisieren, das Wärmebehandeln und das thermische (Plasma-, Flamm-) Spritzen. Die hohe Festigkeit und Härte der verwendeten Legierungen in Kombination mit ihren komplexen Formen und Präzisionstoleranzen erfordern anspruchsvollere und strengere Bearbeitungsanforderungen als andere Branchen.
Einige der einzigartigeren Metallbearbeitungsverfahren umfassen chemisches und elektrochemisches Fräsen, Elektroentladungsbearbeitung, Laserbohren und Elektronenstrahlschweißen. Chemisches und elektrochemisches Mahlen beinhalten das konturerhaltende oder konturgebende Abtragen von Metall von großen Flächen. Die Teile werden je nach Legierung in ein hochkonzentriertes, kontrolliertes Säure-, Laugen- oder Elektrolytbad gelegt. Metall wird durch die chemische oder elektrochemische Wirkung entfernt. Chemisches Fräsen wird häufig nach dem Schmieden von Strömungsprofilen verwendet, um die Wandstärken unter Beibehaltung der Kontur in die Spezifikation zu bringen.
Funkenerosion und Laserbohren werden typischerweise zum Herstellen von Löchern mit kleinem Durchmesser und komplizierten Konturen in Hartmetallen verwendet. Viele solcher Löcher sind in Brennkammer- und Turbinenkomponenten zu Kühlzwecken erforderlich. Die Metallentfernung wird durch hochfrequente thermomechanische Wirkung von Elektrofunkenentladungen erreicht. Der Prozess wird in einem dielektrischen Mineralölbad durchgeführt. Die Elektrode dient als Umkehrbild des gewünschten Schnitts.
Elektronenstrahlschweißen wird verwendet, um Teile zu verbinden, bei denen ein tiefer Schweißeinbrand in schwer zugänglichen Geometrien erforderlich ist. Die Schweißnaht wird durch einen fokussierten, beschleunigten Elektronenstrahl in einer Vakuumkammer erzeugt. Die kinetische Energie der auf das Werkstück auftreffenden Elektronen wird zum Schweißen in Wärme umgewandelt.
Herstellung von Verbundkunststoffen umfasst entweder „nasse“ Auflegetechniken oder die Verwendung von vorimprägnierten Tüchern. Beim nassen Auftragen wird die viskose ungehärtete Harzmischung entweder durch Sprühen oder Bürsten über eine Werkzeugform oder Form verteilt. Das Faserverstärkungsmaterial wird manuell in das Harz eingelegt. Zusätzliches Harz wird aufgetragen, um Gleichmäßigkeit und Kontur mit der Werkzeugform zu erhalten. Der fertige Aufbau wird dann in einem Autoklaven unter Hitze und Druck ausgehärtet. Vorimprägnierte Materialien bestehen aus halbstarren, gebrauchsfertigen, teilweise ausgehärteten Platten aus Harz-Faser-Verbundwerkstoffen. Das Material wird zugeschnitten, manuell an die Konturen der Werkzeugform angeformt und im Autoklaven ausgehärtet. Ausgehärtete Teile werden konventionell bearbeitet und in den Motor eingebaut.
Inspektion und Prüfung
Um die Zuverlässigkeit von Flugzeugtriebwerken zu gewährleisten, werden während der Herstellung und am Endprodukt eine Reihe von Inspektions-, Test- und Qualitätskontrollverfahren durchgeführt. Zu den üblichen zerstörungsfreien Prüfmethoden gehören Durchstrahlung, Ultraschall, Magnetpulver und fluoreszierendes Eindringmittel. Sie werden verwendet, um Risse oder innere Fehler in den Teilen zu erkennen. Zusammengebaute Motoren werden normalerweise vor der Auslieferung an den Kunden in instrumentierten Testzellen getestet.
Gesundheits- und Sicherheitsgefahren und ihre Kontrollmethoden
Gesundheitsgefahren im Zusammenhang mit der Herstellung von Flugzeugtriebwerken hängen hauptsächlich mit der Toxizität der verwendeten Materialien und ihrem Expositionspotential zusammen. Aluminium, Titan und Eisen gelten als nicht signifikant toxisch, während Chrom, Nickel und Kobalt problematischer sind. Bestimmte Verbindungen und Wertigkeiten der drei letztgenannten Metalle weisen auf krebserzeugende Eigenschaften bei Mensch und Tier hin. Ihre metallischen Formen werden im Allgemeinen nicht als so toxisch angesehen wie ihre ionischen Formen, die typischerweise in Metallveredelungsbädern und Farbpigmenten zu finden sind.
Bei der konventionellen Bearbeitung werden die meisten Vorgänge unter Verwendung von Kühlmitteln oder Schneidflüssigkeiten durchgeführt, die die Erzeugung von Staub und Dämpfen in der Luft minimieren. Mit Ausnahme des Trockenschleifens stellen die Metalle normalerweise keine Gefahr beim Einatmen dar, obwohl das Einatmen von Kühlmittelnebeln Anlass zur Sorge gibt. Insbesondere an Teilen von Strahltriebwerken wird viel geschliffen, um Konturen zu verschmelzen und Tragflächen in ihre endgültigen Abmessungen zu bringen. Typischerweise werden kleine Handmühlen verwendet. Wenn ein solches Schleifen an Legierungen auf Chrom-, Nickel- oder Kobaltbasis durchgeführt wird, ist eine lokale Belüftung erforderlich. Dazu gehören Downdraft-Tische und selbstentlüftende Mühlen. Dermatitis und Lärm sind zusätzliche Gesundheitsrisiken im Zusammenhang mit der konventionellen Bearbeitung. Beim Befestigen, Prüfen und Entfernen von Teilen kommen die Mitarbeiter in unterschiedlichem Maße in Hautkontakt mit Kühl- und Schneidflüssigkeiten. Wiederholter Hautkontakt kann sich bei manchen Mitarbeitern in verschiedenen Formen von Dermatitis äußern. Im Allgemeinen werden solche Fälle durch Schutzhandschuhe, Schutzcremes und angemessene Hygiene minimiert. Bei der Bearbeitung dünnwandiger, hochfester Legierungen treten aufgrund von Werkzeugrattern und Teilevibrationen häufig hohe Geräuschpegel auf. Dies kann bis zu einem gewissen Grad durch steifere Werkzeuge, dämpfende Materialien, Modifizierung der Bearbeitungsparameter und Beibehaltung scharfer Werkzeuge kontrolliert werden. Ansonsten ist PSA (z. B. Ohrenschützer, Stöpsel) erforderlich.
Sicherheitsrisiken im Zusammenhang mit konventionellen Bearbeitungsvorgängen beinhalten hauptsächlich das Potenzial für körperliche Verletzungen aufgrund der Arbeitsstelle, der Befestigung und der Antriebsbewegungen der Kraftübertragung. Die Kontrolle erfolgt durch Methoden wie feste Schutzvorrichtungen, verriegelte Zugangstüren, Lichtvorhänge, druckempfindliche Matten und Mitarbeiterschulung und -bewusstsein. In der Nähe von Bearbeitungsvorgängen sollte zum Schutz vor umherfliegenden Spänen, Partikeln und Spritzern von Kühl- und Reinigungsmitteln immer ein Augenschutz getragen werden.
Metallveredelungsvorgänge, chemisches Fräsen, elektrochemisches Fräsen und Galvanisieren beinhalten Tanks mit offener Oberfläche, die konzentrierten Säuren, Basen und Elektrolyten ausgesetzt sind. Die meisten Bäder enthalten hohe Konzentrationen an gelösten Metallen. Abhängig von den Betriebsbedingungen und der Zusammensetzung des Bades (Konzentration, Temperatur, Bewegung, Größe) benötigen die meisten eine Form lokaler Belüftung, um die Konzentration von Gasen, Dämpfen und Nebeln in der Luft zu kontrollieren. Zur Steuerung werden üblicherweise verschiedene seitliche, schlitzartige Haubendesigns verwendet. Lüftungsdesigns und Betriebsrichtlinien für verschiedene Arten von Bädern sind bei technischen Organisationen wie der American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) und dem American National Standards Institute (ANSI) erhältlich. Die ätzende Natur dieser Bäder schreibt die Verwendung von Augen- und Hautschutz (Schutzbrille, Gesichtsschutz, Handschuhe, Schürzen usw.) vor, wenn in der Nähe dieser Tanks gearbeitet wird. Außerdem müssen Augenspülungen und Notfallduschen für den sofortigen Gebrauch verfügbar sein.
Elektronenstrahlschweißen und Laserbohren stellen eine Strahlengefahr für Arbeiter dar. Beim Elektronenstrahlschweißen entsteht sekundäre Röntgenstrahlung (Bremsstrahlung Wirkung). Die Schweißkammer bildet gewissermaßen eine ineffiziente Röntgenröhre. Es ist entscheidend, dass die Kammer aus einem Material besteht oder eine Abschirmung enthält, die die Strahlung auf das niedrigste praktische Niveau dämpft. Häufig wird eine Bleiabschirmung verwendet. Strahlungsuntersuchungen sollten regelmäßig durchgeführt werden. Laser bergen Gefahren für Augen und Haut (thermisch). Außerdem besteht die Möglichkeit, Metalldämpfen ausgesetzt zu sein, die durch die Verdampfung des Grundmetalls entstehen. Strahlengefahren im Zusammenhang mit Laseroperationen sollten isoliert und nach Möglichkeit in verriegelten Kammern eingeschlossen werden. Ein umfassendes Programm sollte konsequent befolgt werden. Wo Metalldämpfe entstehen, sollte für eine örtliche Belüftung gesorgt werden.
Die Hauptgefahren im Zusammenhang mit der Herstellung von Verbundkunststoffteilen beinhalten den chemischen Kontakt mit nicht umgesetzten Harzkomponenten und Lösungsmitteln während der Nasslaminiervorgänge. Von besonderer Bedeutung sind aromatische Amine, die als Reaktanten in Polyimidharzen und Härtern in Epoxidharzsystemen verwendet werden. Eine Reihe dieser Verbindungen sind bestätigte oder vermutete menschliche Karzinogene. Sie zeigen auch andere toxische Wirkungen. Die hochreaktive Natur dieser Harzsysteme, insbesondere Epoxide, führt zu einer Sensibilisierung der Haut und der Atemwege. Die Kontrolle der Gefahren während des Nasslaminierens sollte eine lokale Belüftung und die umfassende Verwendung persönlicher Schutzausrüstung umfassen, um Hautkontakt zu vermeiden. Lay-up-Operationen mit vorimprägnierten Platten stellen normalerweise keine Exposition in der Luft dar, es sollte jedoch ein Hautschutz verwendet werden. Beim Aushärten sind diese Teile relativ inert. Sie weisen nicht mehr die Gefahren ihrer Reaktanten auf, aus denen sie bestehen. Bei der konventionellen Bearbeitung der Teile können jedoch lästige Stäube reizender Art entstehen, die mit den Verbundwerkstoffen der Verstärkung (Glasfaser, Graphit) verbunden sind. Häufig ist eine örtliche Belüftung des Bearbeitungsvorgangs erforderlich.
Gesundheitsgefahren im Zusammenhang mit Prüfvorgängen betreffen normalerweise Strahlung (Röntgen- oder Gammastrahlen) von der Röntgeninspektion und Lärm von Endproduktprüfungen. Röntgenoperationen sollten ein umfassendes Strahlenschutzprogramm umfassen, komplett mit Schulung, Ausweisüberwachung und regelmäßigen Untersuchungen. Röntgeninspektionskammern sollten mit verriegelten Türen, Operationsleuchten, Notabschaltungen und angemessener Abschirmung ausgestattet sein. Testbereiche oder Zellen, in denen zusammengesetzte Produkte getestet werden, sollten akustisch behandelt werden, insbesondere für Strahltriebwerke. Der Geräuschpegel an den Steuerkonsolen sollte auf unter 85 dBA geregelt werden. Es sollten auch Vorkehrungen getroffen werden, um jegliche Ansammlung von Abgasen, Kraftstoffdämpfen oder Lösungsmitteln im Prüfbereich zu verhindern.
Zusätzlich zu den vorgenannten Gefahren im Zusammenhang mit bestimmten Vorgängen gibt es noch einige andere, die es wert sind, erwähnt zu werden. Dazu gehören die Exposition gegenüber Reinigungslösungsmitteln, Farben, Blei und Schweißarbeiten. Reinigungslösungsmittel werden während des gesamten Herstellungsprozesses verwendet. Aufgrund von Toxizität und ozonabbauenden Wirkungen gab es in letzter Zeit einen Trend weg von der Verwendung von chlorierten und fluorierten Lösungsmitteln hin zu wässrigen, terpinen, alkoholischen und Lösungsbenzintypen. Obwohl die letztere Gruppe tendenziell umweltverträglicher ist, stellen sie oft Brandgefahren dar. Die Mengen entflammbarer oder brennbarer Lösungsmittel sollten am Arbeitsplatz begrenzt und nur aus zugelassenen Behältern und mit angemessenem Brandschutz verwendet werden. Blei wird manchmal beim Schmieden von Schaufeln als Gesenkschmiermittel verwendet. Wenn dies der Fall ist, sollte aufgrund der Toxizität von Blei ein umfassendes Kontroll- und Überwachungsprogramm für Blei in Kraft sein. Viele Arten des konventionellen Schweißens werden in Herstellungsvorgängen verwendet. Metalldämpfe, ultraviolette Strahlung und Ozonbelastungen müssen für solche Vorgänge bewertet werden. Die Notwendigkeit von Kontrollen hängt von den spezifischen Betriebsparametern und beteiligten Metallen ab.