Forschungsprojekt DiWeTwin

„Digitaler Werkstoffzwilling für eine effiziente Turbinenauslegung (DiWeTwin)“ Teilvorhaben der HAW Landshut

Das Forschungsprojekt „Digitaler Werkstoffzwilling für eine effiziente Turbinenauslegung (DiWeTwin)“ wird durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie“ innerhalb des Förderprogramms Bayerisches Luftfahrtforschungsprogramm -BayLu25 gefördert.

Zusammen mit dem Projektpartner MTU Aero Engines AG werden verschiedene Lebensdauermodelle für Nickelbasislegierungen entwickelt. Nickel (Ni)-Basislegierungen weisen eine hohe Festigkeit und eine hohe Korrosions- und Temperaturbeständigkeit auf, weshalb diese in Gas- oder Flugzeugturbinen eingesetzt werden. Zur Herstellung von Turbinenschaufeln wird häufig ein Gussprozess verwendet, durch welchen im Material Defekte in Form von Lunkern und Poren entstehen können. Diese Materialdefekte und weitere Inhomogenitäten, wie Karbide und Ausscheidungen, haben gegebenenfalls aufgrund verschiedener Faktoren, z.B. Größe der Materialdefekte, Nähe zueinander oder vorhandene Kerbschärfe, einen wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer von Bauteilen aus Ni-Basislegierungen.

Innerhalb dieses Forschungsprojekts wird am Kompetenzzentrum Leichtbau der Hochschule Landshut (LLK) ein probabilistisches Lebensdauermodell entwickelt, welches den Einfluss von Materialdefekten auf die Lebensdauer von Bauteilen aus Ni-Basislegierungen berücksichtigt. Hierzu werden durch Computertomographie (CT) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) die Materialdefekte erfasst und bezüglich verschiedener Eigenschaften analysiert. Diese Eigenschaften werden innerhalb einer statistischen Verteilung abgebildet. Durch die Kombination der statistischen Größen, Risswachstumsgesetzen und einem geeigneten Ermüdungsparameter kann die Lebensdauer von Bauteilen aus einer Ni-Basislegierung statistisch abgesichert vorhergesagt werden. Somit werden realitätsnahe Simulationen der Lebensdauern ermöglicht, welche eine wesentliche Voraussetzung für eine effiziente Dimensionierung von Bauteilen und der Optimierung von Wartungszyklen darstellt.
Die nötigen Versuche im Kurzzeitfestigkeitsbereich (LCF) und Zeitfestigkeitsbereich (HCF) werden durch den Projektpartner MTU Aero Engines AG durchgeführt. Die vorhandenen Materialdefekte werden an bestimmten Zeitpunkten der Probenlebensdauer am LLK schädigungsfrei untersucht.

Ein weiteres Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung von synthetischen Wöhlerlinien für Ni-Basislegierungen. Hierzu werden durch den Projektpartner bereitgestellte Versuchsdaten am LLK analysiert, um vom quasi-statischen Materialverhalten auf das zyklische Materialverhalten zu schließen. Zudem soll darin eine Funktion entwickelt werden, welche den Einfluss der Temperatur auf die Lebensdauer innerhalb des Modells miteinbezieht.

Durch eine gezielte Vorhersage der Lebensdauer von Bauteilen kann die Anzahl erforderlicher Versuchsproben in der Entwicklung reduziert und durch geringere bewegte Massen auch die Beanspruchung im Betrieb (z.B. Fliehkraftbeanspruchung und thermisch induzierte transiente Beanspruchungen) reduziert und damit die Lebensdauer erhöht werden. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit geleistet.

Beteiligte Personen

Unter der Projektleitung von Prof. Dr.-Ing. Otto Huber arbeiten zwei wissenschaftliche MitarbeiterInnen innerhalb des Forschungsprojekts. Frau Eva Kollmannsberger führt die Untersuchungen der Materialdefekte am CT und REM durch und wertet diese hinsichtlich ihrer Eigenschaften aus. Herr Florian Mader entwickelt darauf aufbauend das probabilistische Lebensdauermodell und leitet aus den durch den Projektpartner bereitgestellten Versuchsdaten die synthetischen Wöhlerlinien ab. Prof. Dr.-Ing. Huber ist Leiter des Kompetenzzentrums Leichtbau der Hochschule Landshut und forscht in den Bereichen Leichtbau und Werkstoffmechanik. Als Spezialist im Bereich Werkstofftechnik und -analytik unterstützt Prof. Dr.-Ing. Holger Saage (LLK) das Projekt.