AM für die Luftfahrt

Concept Laser

Die drei Projektpartner Airbus, Concept Laser und das Laserzentrum Nord sind für den Deutschen Zukunftspreis nominiert worden. Gegenstand ist die Entwicklung von Bauteilen für die Luftfahrt auf der Basis von generativer Fertigung

Bedeutung des Laserschmelzens für den Flugzeugbau
Laserschmelzen mit Metallen gewinnt im Flugzeugbau im Rahmen einer additiven Fertigungsstrategie zunehmend an Bedeutung. Schnellere Durchlaufzeiten, günstigere Bauteile und eine bislang unbekannte Freiheit in der Formgebung sind auch hier klassische Argumente für das Verfahren der Wahl. Als neue Schlagworte tauchen nun „Leichtbau“ und „Bionik“ auf. Ein Trend wird erkennbar: Ein generatives Verfahren verändert das konstruktive Denken der Entwickler im Flugzeugbau. Bei Flugzeugkonstruktionen können zukünftige Bauteile gezielt die Kraftlinien auffangen und dabei auch noch dem Ansatz des Leichtbaus gerecht werden. Generell ist die Laserschmelz-Technologie in der Lage sicherheitsrelevante Bauteile herzustellen, die noch besser, leichter und langlebiger sind, als die konventionell gefertigten Bauteile von heute. Leicht unterschiedlich sind außerdem die Materialeigenschaften. Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, CEO, Laser Zentrum Nord GmbH, Hamburg: „Laseradditiv gefertigte Werkstoffe weisen eine höhere Festigkeit bei gleichzeitig geringerer Duktilität auf, die aber durch die richtige Wärmebehandlung auch wieder gesteigert werden kann.“ Darüber hinaus kennzeichnet sich das Verfahren durch Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung bei gleichzeitiger Verbesserungen der Kostenstruktur aus.

Geometriefreiheit und Leichtbaupotenziale als treibende Faktoren
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. Die erzielbare Gewichtsreduktion wirkt sich in tendenziell niedrigerem Treibstoffverbrauch 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 generativ hergestellten Bauteile sind faktisch um mehr als 30 % 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 %. 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 Projektabläufe 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.“

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

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 QMmeltpool von Concept Laser bedeutet in der Praxis: Auf einer sehr kleinen Fläche von 1x1 mm² überwacht das System mittels Kamera und Foto-Diode den Prozess. Anschließend wird der Prozess dokumentiert.“ Ab 2016 wird dieses Modul um das QMmeltpool 3D erweitert. Dabei wird die bisherige, zeitbezogene 2D-Überwachung des Bauprozesses zur positionsbezogenen 3D-Landkarte. Statt ausschließlich zeitbezogener Daten liefert das System nun, der Computer-Tomografie (CT) vergleichbar, zusätzlich positionsbezogene Signale zur eindeutigen Zuordnung. Diese Signale ermöglichen die Generierung von 3D-Datensätzen des Bauteils bzw. dessen Aufbaus. Damit entsteht eine sehr genaue 3D-Landkarte des Bauteils. QMmeltpool 3D kann so lokale Hinweise auf fehlerhafte Stellen im Bauteil liefern. Nachgelagerte Prüfungen und Tests können somit minimiert werden. Zudem stehen die Daten unmittelbar nach Bauprozess zur Verfügung, sodass sich auch Einsparungen in zeitlicher Hinsicht ergeben. Weitere QM-Module zur aktiven Qualitätssicherung sind QMcoating, QMatmosphere, QMpowder und QMlaser. Sie messen bzw. überwachen z.B. die Laserleistung oder auch den optimalen Schichtaufbau des Metallpulvers und dokumentieren den gesamten Herstellprozess lückenlos. Ein weiteres Kennzeichen in puncto 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.“ Prof. Dr.-Ing. 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.“
Auch auf diesem Gebiet kann sich Concept Laser als Pionier bezeichnen, arbeitet das Unternehmen schon seit 2004 an verschiedenen Modulen zur Qualitätsverbesserung/-überwachung.

„Grüne Technologie“ schont Ressourcen
Beim Fräsen von Flugzeugteilen entsteht bis zu 95 % recyclingfähiger Abfall. Beim Laserschmelzen erhält der Anwender ein sog. „endkonturnahes Bauteil“, dessen Abfall bei ca. 5 % liegt. „Wir sprechen im Flugzeugbau von der „buy to fly ratio“ und da sind 90 % ein fantastischer Wert. Dieser spiegelt sich natürlich auch in der Energiebilanz wieder“, so Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann. 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: „LaserCUSING ist eine „Green Technology“ und verbessert den viel zitierten ökologischen Fußabdruck in der Fertigung.“

Ersatzteilversorgung 2.0: Zeitnah, dezentral und „on demand“
Eine neue Gedankenspielwiese der „generativen Aeronauten“ sind Ersatzteile. Diese 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. 

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