Warum Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt einen modernen Ansatz erfordern
In Luft- und Raumfahrtgetrieben, wie Getriebe-Turbofan-(GTF)-Triebwerken, Fahrwerksantrieben, Haupt- und Heckrotorgetrieben der Hubschrauber, sowie Hilfstriebwerk, ist die Integrität von gehärteten Getrieben nicht verhandelbar. Oberflächenhärte, Druckeigenspannungen, das Fehlen von Schleifschäden und „verdeckter Schleifbrand“ sind entscheidend für eine hohe Ermüdungsdauer, Sicherheit und Zertifizierung. Traditionelle Inspektionsmethoden wie die Nital-Ätzung sind etabliert, stellen aber in dieser anspruchsvollen Umgebung erhebliche Einschränkungen dar.
Die traditionelle Nital-Ätzmethode: Prozess und Einschränkungen
Die Nital-Ätzung ist eine seit langem etablierte Inspektionsmethode zur Erkennung von Schleifbrand und Wärmebehandlungsanomalien wie Entkarburisation auf gehärteten und geschliffenen Stahloberflächen. In einem typischen Verfahren wird ein Zahnrad gereinigt, in eine Salpetersäure-Alkohol-Lösung eingetaucht, ausgespült, neutralisiert, visuell auf Verfärbungen inspiziert und bei Bedarf mit Wasserstoff ausgebacken. Angelassene Bereiche erscheinen als dunkle Flecken, wohingegen neugehärtete Bereiche als weiße Flecken erscheinen, sodass ein Prüfer die Oberflächenintegrität optisch beurteilen kann.
Obwohl die Methode für Schleifbrand an der Oberfläche geeignet ist, entfernt sie Material (etwa 3 μm pro Ätzzyklus), was die engen Toleranzen bei Luft- und Raumfahrtgetrieben beeinträchtigen kann. Ferner werden gefährliche Säuren eingesetzt, die eine sorgfältige Handhabung, Belüftung und regulierte Abfallbehandlung erfordern. Als weitgehend manuelle und subjektive Technik ist das Nital-Ätzen langsam, anfällig für menschliche Fehler und schwer zu automatisieren. Es ist schwierig, Messkapazitäten zu erhöhen und Datenkonsistenz zu erreichen. Außerdem werden nur metallurgische Umwandlungen an der Oberfläche sichtbar. Verdeckter Schleifbrand unterhalb der Oberfläche bleibt verborgen und Zugeigenspannungen können prinzipbedingt nicht erkannt werden. Angesichts der hohen Anforderungen an Präzision, Kostendruck und Qualität verdeutlichen diese Einschränkungen, dass die Notwendigkeit für sicherere, schnellere und nachverfolgbare Inspektionsmethoden zunimmt.
Barkhausen-Rauschanalyse als praktikable Alternative
Die Barkhausen-Rauschanalyse (BHR, oder Barkhausen Noise Analysis, BNA) bietet eine moderne, zerstörungsfreie Lösung zur Erkennung von Schleifschäden, Wärmebehandlungsfehlern und Eigenspannungsveränderungen in ferromagnetischen Bauteilen. Die Methode legt ein Wechselmagnetfeld an der Oberfläche an, wobei Änderungen in Mikrostruktur und Spannungsänderungen das gemessene Barkhausen-Signal verändern. Studien, wie sie in Gear Solutions veröffentlicht wurden, haben gezeigt, dass BNA die Nachweismöglichkeiten von Nital-Ätzung auf karburisierten und geschliffenen Zahnrädern übersteigt.
Im Gegensatz zur Nital-Ätzung muss bei der Prüfung mittels BNA kein Material entfernt oder mit Chemikalien gearbeitet werden, was es sicher, sauber und umweltfreundlich macht. Es liefert ein schnelles, quantitatives Feedback während oder unmittelbar nach dem Schleifprozess, was eine proaktive Prozesssteuerung und Integration in automatisierte Produktionslinien ermöglicht. BNA ist sensibel für Änderungen in der Mikrostruktur als auch auf Eigenspannungen und kann frühzeitige Prozessabweichungen oder verdeckten Schleifbrand erkennen, bevor kostspieliger Ausschuss entsteht. Durch die Kombination von Geschwindigkeit, Sensibilität und der Fähigkeit zur Automatisierung bietet BNA Luft- und Raumfahrtherstellern einen nachhaltigen, datengetriebenen Ansatz zur Sicherstellung von Qualität und Leistung.
Nital-Ätzung vs. Barkhausen-Rauschanalyse (BNA)
| Schlüsselmerkmal | Nital-Äztung | Barkhausen-Rauschanalyse (BNA) |
|---|---|---|
| Materialentfernung | × Entfernt Material (~3 μm pro Zyklus) × Beeinflusst präzise Oberflächen und Toleranzen | ✓ Zerstörungsfrei ✓ Kein Materialabtrag oder Geometrieänderung |
| Chemikalien und Sicherheit | × Verwendet gefährliche Salpetersäure + Alkohol × Erfordert Belüftung, Handhabung und Entsorgung | ✓ frei von Chemikalien ✓ Sicherer Umgang für den Bediener ✓ Keine Abfallbehandlung nötig |
| Umwelt- und regulatorische Auswirkungen | × Gefährlicher Abfall × Strenge Einhaltung erforderlich | ✓ Nachhaltig ✓ Keine Chemikalien oder Abfallströme |
| Wasserstoffversprödung | × Mögliches Risiko durch Säureexposition | ✓ Kein Risiko von Wasserstoffversprödung |
| Geschwindigkeit und Prozessintegration | × Langsamer, mehrstufiger Prozess (Ätzen, Abspülen, Trocknen, Inspizieren, Konservieren) | ✓ Schnelles Feedback ✓ Inline- oder Produktionsbegleitende Inspektion zwischen den Prozessschritten oder als End-of-Line Inspektion |
| Bedienerabhängigkeit | × Subjektive visuelle Bewertung | ✓ Quantitativ und wiederholbar ✓ Minimaler Einfluss durch Bediener |
| Automatisierung | × Schwierig zu automatisieren; geeignet für Labor- oder kleine Chargen | ✓ Automatisierbar ✓ Datenerfassung und SPC-Integration |
| Sensibilität | × Erkennt Schädigungen nur an der Oberfläche × nicht sensibel für Eigenspannungen | ✓ Empfindlich gegenüber Mikrostruktur und Eigenspannungen ✓ Erkennt verdeckten Schleifbrand |
| Ergebnis der Inspektion | × Visuell bestanden/nicht bestanden × Keine messbaren Daten | ✓ Numerische Ergebnisse (RMS-Amplitude, Spitzenposition) für die Prozessüberwachung |
| Rückverfolgbarkeit | × Beschränkt auf visuelle Bilder, die Schattierungen von Verfärbungen zeigen | ✓ Automatisierte Inspektionssysteme erfassen Inspektionsdaten mit hoher räumlicher Auflösung (ähnlich einer C-Scan-Karte) |
Implementierungsaspekte für die Herstellung von Luft- und Raumfahrtgetrieben
Die Einführung von BNA zur Prozessüberwachung von gehärteten Zahnräder in der Luft- und Raumfahrt (zum Beispiel 3310/8620-Stähle) erfordert eine Planung:
- Referenzstandards und Kalibrierung:
- Ermitteln Sie die Barkhausenrauschenwerte für akzeptierte Werkstücke ohne Schädigung sowie für fehlerhafte Werkstücke
- Erstellen Sie eine Korrelation der BNA-Ergebnisse mit Eigenspannungs-Tiefenprofilen (zum Beispiel Röntgenbeugung) zur Verifikation und Rückverfolgbarkeit.
- Sensorgeometrie:
- Gerad- und Spiralverzahnungen, Lagersitze, Bohrungen sowie weitere einsatzgehärtete Oberflächen können mit einer angepassten Sensorgeometrie und entsprechender Prüfstrategie geprüft werden. Zahlreiche Hersteller von Verzahnungen und Getrieben aus der Windkraftindustrie, Automotive sowie von Industriegetrieben haben automatisierte BNA-Systeme bereits implementiert, um eine Wiederholbarkeit zu gewährleisten sowie Bedienereinflüsse zu minimieren
- Integration in den Prozessablauf:
- Der optimale Inspektionspunkt ist unmittelbar nach dem Endschleifen.
- Schnelle Rückkopplung ermöglicht schnelle Prozessanpassungen, wie zum Beispiel Abrichtzyklus, Kühlschmierstoffzufuhr oder Zustellung, bevor Schädigungen entstehen.
- Die Ergebnisse der Barkhausen-Rauschprüfung können in jeder Phase mit der Nital-Ätzung verglichen werden, um sowohl die Korrelation damit als auch die Einhaltung der festgelegten Standards sicherzustellen.
- Datenverarbeitung und Trending:
- Da BNA quantitative, nachverfolgbare Daten liefert, können die Ergebnisse in dem SPC oder anderen Qualitätsdatenbanken abgelegt werden, um die Berichtserstellung und -prüfung zu erleichtern.
- Die Überwachung von Trends im Signal hilft, Prozessabweichungen sowie beginnenden Schleifbrand frühzeitig zu erkennen, bevor die n.i.O.-Schwelle erreicht wird. Dies führt zu weniger Ausschussteilen.
- Risikominderung für die Akzeptanz von Legacy/Spezifikationen:
- Für die Qualitätssicherung von Luft- und Raumfahrt-OEMs und MROs sollten Inspektionsspezifikationen, Beschaffungs- und Kontrollpläne aktualisiert werden, um die Vergleichbarkeit bzw. erhöhte Sensitivität des Barkhausenrauschens gegenüber traditioneller Nital-Ätzung zu dokumentieren.
- Stellen Sie Rückverfolgbarkeit, Qualifikation und Prüfbarkeit der Methode sicher.
- Kosten-Nutzen-Verhältnis und ROI:
- Die Anfangsinvestition amortisieren sich zeitnah durch Einsparung an Beschaffungs- und Entsorgungskosten der Chemikalien, Senkung von Nachbearbeitungskosten sowie verringertem Ausschuss. Zusätzlich werden Probleme im Produktionsprozess sehr früh erkannt und können schnell abgestellt werden.
Schlussfolgerung
Für die Fertigung kritischer Luft- und Raumfahrtkomponenten, insbesondere innerhalb der OEM- und MRO-Wertschöpfungskette, sowie Komponenten wie Fahrwerke, Turbofan- und Hubschraubergetriebe sowie Turbinenzubehörantriebe, stellt der Übergang von der Nital-Ätzung zur Barkhausen-Rauschanalysis (BNA) einen bedeutenden Fortschritt in der Qualitätsprüfung und Prozesssteuerung dar.
BNA sorgt für schnellers Feedback, beeinflusst nicht die Komponententoleranzen und beseitigt die Umwelt- und Sicherheitsbelastungen durch säurebasiertes Ätzen. Es ermöglicht Inline-, automatisierte und quantitative Inspektionen und verschiebt die Qualitätsprüfung von einem reaktiven Prozess hin zu einem proaktiven Werkzeug zur Prozesssteuerung.
Obwohl Nital-Ätzung in einigen alten Standards weiterhin spezifiziert ist, machen die Vorteile von BNA, wie z.B. Geschwindigkeit, Empfindlichkeit, Rückverfolgbarkeit und Integration in die digitale Fertigung ihre Einführung zunehmend attraktiv. Für Getriebehersteller, MROs und NDT-Anbieter unterstützt die Einführung von BNA die übergeordneten Ziele der Branche – Fehlervermeidung, Prozessoptimierung, Abfallvermeidung, Rückverfolgbarkeit, Zykluszeitverkürzung und nachhaltige, hochwertige Produktion.