Additive Fertigung im Flugzeugbau

Laserschmelzen mit Metallen gewinnt im Flugzeugbau an Bedeutung. Zu den klassischen Argumenten wie schnellere Durchlaufzeiten, günstigere Bauteile und Freiheit in der Formgebung treten Schlagworte wie „Leichtbau“ und „Bionik“. Ein generativ geprägtes Verfahren verändert das konstruktive Denken. So können zukünftige Bauteile gezielt die Kraftlinien auffangen und dabei auch noch dem Ansatz des Leichtbaus gerecht werden. Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung paaren sich mit Verbesserungen der Kostenstruktur.

Verbindungselemente, sogenannte Brackets, die im Airbus A350 XWB zum Einsatz kommen, wurden als Finalist mit dem „Innovationspreis der deutschen Wirtschaft 2014“ ausgezeichnet. Nach Einschätzung der Jury revolutioniert diese industrieübergreifende Entwicklung die Art, Flugzeugstrukturelemente zu fertigen, und den „Leichtbau“ bei Zivilflugzeugen zu realisieren. Bislang war das Bauteil ein gefrästes Teil aus Aluminium (Al), nun ist es ein gedrucktes Teil aus Titan (Ti) mit einer Gewichtseinsparung von ca. 30 Prozent.

Die Argumente für das Laserschmelzen mit Metallen im Flugzeugbau sind Geometriefreiheit und Gewichtsreduzierung. Der Ansatz „Leichtbau“ soll den Airlines helfen, ihre Flugzeuge ökonomischer zu betreiben. Für Brackets wirkt sich die erzielbare Gewichtsreduktion in tendenziell niedrigeren Treibstoffverbräuchen oder einem Potenzial für erhöhte Flugzeugzuladungskapazitäten aus.

Eine neue Flugzeugkonstruktion erfordert tausende von sogenannten FTI (Flight Test Installations)-Brackets mit Kleinststückzahlen. Das additive „Layer Manufacturing“ ermöglicht es den Konstrukteuren, neue Strukturen zu entwerfen. Die additiven Bauteile sind faktisch um mehr als 30 Prozent leichter als konventionelle Gieß- oder Frästeile. Hinzu kommt, dass die CAD-Daten unmittelbar Grundlage eines additiven Baujobs sind. Der Entfall von Werkzeugen reduziert die Kosten und beschleunigt die Zeit bis zur Bauteilverfügbarkeit um bis zu 75 Prozent.

Durch die werkzeuglose Natur des Verfahrens ist es nun möglich, bereits früh Funktionsmuster mit seriennahem Bauteilcharakter herzustellen. Dies geschieht ohne Vorlaufkosten für Werkzeuge. So können bereits im frühen Stadium der Konstruktion Fehlerquellen identifiziert und der Projektablauf optimiert werden. Peter Sander, Leiter Emerging Technologies & Concepts, Airbus, Hamburg: „Früher veranschlagten wir für eine Bauteilentwicklung rund sechs Monate, heute ist daraus ein Monat geworden.“

„Grüne Technologie“ schont Ressourcen

Beim Fräsen von Flugzeugteilen entsteht bis zu 95 Prozent recyclingfähiger Abfall. Beim Laserschmelzen erhält der Anwender ein so genanntes endkonturnahes Bauteil, dessen Abfall nur bei ca. 5 Prozent liegt. „Wir sprechen im Flugzeugbau von der ‚buy to fly ratio‘, und da sind 90 Prozent ein fantastischer Wert“, freut sich Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, CEO, Laser Zentrum Nord GmbH, Hamburg. „Dieser Wert spiegelt sich natürlich auch in der positiven Energiebilanz wider.“ Das macht das Verfahren speziell bei hochwertigen und teuren Flugzeugmaterialien, wie Titan, überaus interessant.

Eine werkzeuglose Fertigungsstrategie spart Zeit und verbessert die Kostenstruktur. Gezielter Energieaufwand und Ressourcenschonung sind Merkmale des Laserschmelzens. Frank Herzog, CEO, Concept Laser GmbH, Lichtenfels: „Lasercusing ist eine ‚Green Technology‘ und verbessert den viel zitierten ökologischen Fußabdruck in der Fertigung.“

Flugzeugbau als Motor des Wandels

In der Regel ergeben sich beim Laserschmelzen positive Effekte für die Herstellkosten bei kleinen bis mittleren Stückzahlen. „Losgrößenbetrachtungen sind im Flugzeugbau essenzieller als bei Volumenfertigungen, um Skaleneffekte zu erzielen“, erläutert Sander. Die vergleichsweise hohen relativen Investitionskosten für die Gussformen und eventuell notwendige Werkzeugkosten entfallen. Darüber hinaus bietet die additive Fertigung mit dem Laser eine höhere Gestaltungsfreiheit gegenüber konventionellen Fertigungsstrategien. So können auch Hinterschnitte und innen liegende Kanäle, z. B. Kühlkanäle, gefertigt werden. In der Luftfahrt denken die Flugzeugbauer schon heute an gekühlte Elemente für die Elektronik oder intelligente, hydraulische Komponenten. „Große Potenziale sehe ich insbesondere für Strukturbauteile von Abmessungen bis zu einem Meter sowie für Bauteile im Triebwerksbereich“, so Emmelmann.

Bis zu den Grenzen der Physik lassen sich zukünftig aber auch noch Fügemethoden denken, um die Bauteilgröße zu steigern. Der besondere Clou bleibt: Es können erstmals bislang unbekannte Geometrien mit Funktionalitäten verknüpft werden. Bereits in der CAD-Konstruktion werden die Kraftflüsse im Bauteil sehr genau bestimmbar. Generell ist die Laserschmelz-Technologie in der Lage, sicherheitsrelevante Bauteile zu entwickeln, die noch besser, leichter und langlebiger sind als die Bauteile von heute. Leicht unterschiedlich sind außerdem die Materialeigenschaften. Emmelmann: „Laseradditiv gefertigte Werkstoffe weisen eine höhere Festigkeit bei gleichzeitig geringerer Duktilität auf, die aber durch die richtige Wärmebehandlung auch wieder gesteigert werden kann.“

Ersatzteilversorgung „on demand“

Eine neue Gedankenspielwiese der „generativen Aeronauten“ sind Ersatzteile. Ersatzteile werden zukünftig dezentral und verwendungsnah „on demand“, dazu noch werkzeuglos, herstellbar sein. Im Falle eines Bauteilversagens kann das Ersatzteil direkt vor Ort gefertigt werden. Dezentrale Fertigungsnetzwerke können entstehen – globale und regionale Strategien sind möglich. So können Transportwege und vor allem die Lieferzeiten minimiert werden. Als Folge reduzieren sich die wartungsbedingten Stand- und Revisionszeiten der Flugzeuge. Große Ersatzteillager mit selten gebrauchten Teilen, wie sie angesichts der langen Lebenszyklen von Flugzeugmodellen heute unabdingbar sind, könnten zukünftig deutlich verkleinert werden. Eine reduzierte Kapitalbindung erhöht die Flexibilität und vor allem die zeitliche Verfügbarkeit sicherheitsrelevanter Bauteile. Angesichts des Kostendrucks der Luftfahrtbranche liegt hier ein besonderer Charme.

Bionik in Bauteil- oder Produktauslegung

Durch das Laserschmelzen mit Metallen werden feinste, sogar knochenartige, also poröse Strukturen herstellbar. „Zukünftige Flugzeugbauteile werden daher ,bionisch‘ aussehen“, schätzt Emmelmann. Nicht umsonst hat die Natur Funktions- und Leichtbauprinzipien über Millionen von Jahren optimiert und den Ressourceneinsatz clever minimiert. Diese Lösungen der Natur werden bei Airbus derzeit hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit strukturiert analysiert. Mittels intelligenter Belichtungsstrategien des Lasers kann dieser ein Bauteil gezielt beaufschlagen, so dass es in Struktur, Festigkeit und Oberflächengüte maßgeschneidert werden kann. „Erste Prototypen zeigen große Potenziale einer bionisch motivierten Vorgehensweise unter Einbeziehung aller relevanten Sicherheitsanforderungen“, so Sander. „Das Verfahren dürfte eine Art Paradigmenwechsel in Konstruktion und Fertigung auslösen.“

Dauerfestigkeit als Kenngröße

„Gegenwärtige Grenzen der Technik sind durch die Kompromisse bei der Oberflächengüte gegeben, die allerdings vergleichbar mit denen von Gussbauteilen sind“, schränkt Emmelmann ein. Diese Phänomene bringen z. B. bei Titan eine erhebliche Reduktion der Dauerfestigkeit mit sich. Gerade diese Kenngröße ist für hochbelastete Strukturbauteile im Flugzeugbau essenziell. Berücksichtigen muss man hier die hohen Belastungen, denen Flugzeuge in ihrem extrem langen Lebens-zyklus von mehr als 30 Jahren ausgesetzt sind. Durch nachgelagerte Oberflächenbehandlungen, wie z. B. das Mikrostrahlen, sowie eine korrekte Wärmebehandlung kann die Dauerfestigkeit aber signifikant gesteigert werden. Emmelmann: „Im Ergebnis werden die Werte eines gewalzten Materials erreicht.“

Qualität als wichtiger Parameter

Für Flugzeugbauer ist die Kontrolle während der Aufbauphase des Bauteils einer der wichtigsten Industrialisierungsbausteine. Peter Sander: „Das ,Inline Process Monitoring‘ mit dem QM-Modul QM meltpool von Concept Laser bedeutet in der Praxis: Auf einer sehr kleinen Fläche von 1 mal 1 Quadratmillimeter überwacht das System mittels Kamera und Foto-Diode den Prozess. Anschließend wird der Prozess dokumentiert.“

Die QM-Module wie QM meltpool, QM coating, QM atmosphere, QM powder und QM laser sind die wesentlichen Instrumente der aktiven Qualitätssicherung, während das Bauteil hergestellt wird. Sie messen die Laserleistung, das Schmelzbad, den Schichtaufbau des Metallpulvers und überwachen bzw. dokumentieren den gesamten Herstellprozess lückenlos.

Ein weiteres Kennzeichen in punkto Qualitätssicherung ist das Arbeiten im geschlossenen System, um einen staub- und kontaminationsfreien Prozess zu gewährleisten. Alle Störeinflüsse, die sich auf den Prozess negativ auswirken könnten, sollen so ausgeschaltet werden. Frank Herzog dazu: „Wir können heute von einem geregelten, wiederholgenauen und prozesssicheren Herstellverfahren sprechen.“ Emmelmann unterstreicht: „Die QS-Software ermöglicht es uns, wichtige Daten wie Laserparameter, Schmelzepool-Verhalten sowie die Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre zu überwachen und zu dokumentieren. Störgrößen durch Kontaminierung können ausgeblendet werden. In einem aktuellen Forschungsprojekt entwickeln wir ein eigenes Qualitätssicherungskonzept, welches unter anderem auf optischer Kohärenztomografie basiert.“

Concept Laser GmbH www.concept-laser.de

LZN Laser Zentrum Nord GmbH www.lzn-hamburg.de

Aktive Qualitätssicherung

Laserschmelzen baut Teile Schicht für Schicht auf

Seit der Gründung im Jahr 2000 ist die Concept Laser GmbH aus Lichtenfels als Innovator auf dem Gebiet der Laserschmelz-Technologie mit dem patentierten Lasercusing branchenübergreifend tätig. Dieses Verfahren generiert Schicht für Schicht Bauteile unter Verwendung von 3D-CAD-Daten. So lassen sich komplexe Bauteilgeometrien werkzeuglos fertigen. Dabei können Geometrien realisiert werden, die mit konventionellen Herstellmethoden nur sehr schwierig oder überhaupt nicht herstellbar sind. Mittels Lasercusing können sowohl Werkzeugeinsätze mit konturnaher Kühlung, als auch Direktbauteile für die Branchen Schmuck, Medizin, Dental, Automotive, Luft- und Raumfahrt gefertigt werden. Dies gilt für Prototypen wie für Serienteile.

Die Laserbearbeitungsanlagen von Concept Laser verarbeiten Pulverwerkstoffe aus Edelstahl, Warmarbeitsstählen, Kobalt-Chrom-Legierung, Nickelbasislegierung sowie reaktive Pulverwerkstoffe wie Aluminium- und Titanlegierungen. Edelmetalle wie Gold- oder Silberlegierungen für die Schmuckherstellung werden auch angeboten. Die Anlagen verkürzen die Entwicklungszeiten und reduzieren deutlich die Entwicklungskosten, bei einer deutlich höheren Flexibilität in der Produktentwicklung.

Belastungen, denen Flugzeuge ausgesetzt sind

Passagierflugzeuge bleiben über einen sehr langen Lebenszyklus von > 30 Jahren im Einsatz. Flugzeuge sind im Flugbetrieb vielfältigen und äußerst komplexen Lastkollektiven ausgesetzt. Neben grundlegenden statischen Belastungen unterliegen Flugzeuge z. B. extremen Temperaturschwankungen zwischen Boden- und Flugbetrieb. Bestimmend sind Dauerbelastungen, die den betroffenen Bauteilen das Maximum abfordern. Dazu gehören Starts und Landungen, aber auch der Flugbetrieb mit permanenten Turbulenzen, die am Flügelende zu mehreren Metern Durchbiegung führen können. Für die Auslegung der Haltestrukturen (Brackets) sind jedoch zunächst nur statische Lastfälle relevant.

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