Ein wesentlicher Treiber für den zunehmenden Einsatz von Titanlegierungen ist die weit verbreitete Anwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrtfertigung. Titanlegierungen und Kohlefaserverbundwerkstoffe weisen eine hervorragende Kompatibilität auf und bieten nicht nur eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, sondern auch eine effektive Gewichtsreduzierung, wodurch sie sich besonders für stark beanspruchte Bereiche und kritische Komponenten im Kontakt mit Verbundwerkstoffen eignen. Allerdings stellt dieser Anstieg des Einsatzes von Titanlegierungen eine doppelte Herausforderung für Luft- und Raumfahrthersteller dar: Erstens sind Titanlegierungen hochwertige Metalle, und herkömmliche Schmiedeprozesse führen zu einer äußerst geringen Materialausnutzung, wobei bis zu 80 % bis 95 % der Rohstoffe bei der Bearbeitung potenziell verschwendet werden, was eine Herausforderung für das Streben der Luft- und Raumfahrtindustrie nach schlanker Fertigung und nachhaltiger Entwicklung darstellt. Zweitens beruht die kontinuierliche Optimierung der Flugzeugleistung zunehmend auf einem effizienteren und leichteren Strukturdesign, während herkömmliche Herstellungsprozesse bei der Erzielung komplexer integrierter Strukturen häufig mit Einschränkungen wie hohen Kosten, langen Vorlaufzeiten oder technischer Undurchführbarkeit konfrontiert sind. Gibt es also eine Herstellungsmethode, die gleichzeitig das dringende Problem der Materialverschwendung angehen und das Zukunftspotenzial komplexer Strukturkonstruktionen erschließen kann? Airbus, ein Luft- und Raumfahrthersteller, hat auf diese Fragen mit seiner seit vielen Jahren praktizierten additiven Fertigungstechnologie mit draht-gerichteter Energiedeposition (w-DED) geantwortet.
Wie funktioniert w-DED?
Airbus erklärt, dass die Technologie einen mehrachsigen Roboterarm nutzt, der mit einer Drahtspule aus Titanlegierung ausgestattet ist und sich präzise nach einem digitalen Modell bewegt. Durch die Fokussierung von Energie wie Laser-, Plasma- oder Elektronenstrahlen auf den Draht wird dieser sofort geschmolzen und Schicht für Schicht auf einem Substrat abgeschieden. Oberflächlich betrachtet ähnelt der Prozess dem Schweißen, wird aber tatsächlich vollständig durch ein dreidimensionales Modell gesteuert, das das Material von unten nach oben in ein sogenanntes „Rohteil“ „drucken“ kann. Dieses Rohlingsteil kommt der endgültigen gewünschten Form bereits sehr nahe und erreicht einen „nahezu -Net{7}}-Formzustand, und es ist nur eine schnelle Nachbearbeitung erforderlich, um die genauen Maßanforderungen des Teils zu erfüllen.
Erschließung des Potenzials von Strukturbauteilen aus Titanlegierungen für große Flugzeuge
Erschließung des Potenzials von Strukturbauteilen aus Titanlegierungen für große Flugzeuge
Während die Metall-3D-Drucktechnologie in der Luft- und Raumfahrt seit etwa einem Jahrzehnt eingesetzt wird, war sie bisher hauptsächlich auf Kleinteile beschränkt. „Pulverbett“-3D-Drucksysteme werden typischerweise zur Herstellung von Teilen verwendet, die kürzer als 60 Zentimeter (etwa zwei Fuß) sind. Im Gegensatz dazu hat die w-DED-Technologie es Airbus ermöglicht, Größenbeschränkungen zu überwinden und große Strukturbauteile aus Titanlegierung mit einer Länge von bis zu sieben Metern (über 23 Fuß) herzustellen. Das neue Verfahren verspricht Produktionsgeschwindigkeiten von mehreren Kilogramm Material pro Stunde. Dies ermöglicht die industrielle -Großserienfertigung von 3D-Drucktechnologien für große Strukturkomponenten von Verkehrsflugzeugen.
Beitrag zur Reduzierung der Titan-Rohstoffabfälle
Im heutigen Streben nach nachhaltiger und schlanker Fertigung haben traditionelle Schmiedeprozesse Schwierigkeiten, die strengen Anforderungen der Luft- und Raumfahrthersteller an Kostenkontrolle und Ressourceneffizienz zu erfüllen. Ein wesentlicher Grund für die Einführung der additiven DED-Fertigung bei Airbus ist die Vermeidung von Materialverschwendung bei der Verarbeitung von Anfang an. Dies liegt daran, dass bei der additiven DED-Fertigung Teile Schicht-für-schichtnah an die -Nettoform-gewachsen werden, die der endgültigen Entwurfsform sehr ähnlich ist und nur minimale Nachbearbeitung erfordert.
Verbesserung der Agilität bei der Flugzeugentwicklung
Herkömmliche Gesenkschmiedeprozesse erfordern die Herstellung großer, komplexer Formen, ein Prozess, der bis zu zwei Jahre dauern kann und erhebliche Vorabinvestitionen erfordert. Im Gegensatz dazu wird die Form von 3D--gedruckten Teilen vollständig durch Computerprogramme definiert, wodurch sich die Lieferzyklen auf nur wenige Wochen verkürzen. Die von w-DED gebotene Agilität ist besonders vorteilhaft für die reibungslose und zeitnahe Herstellung des ersten Prototyps.-Auch während detaillierte Designs noch verfeinert und optimiert werden-unterstützt die Technologie eine schnelle Iteration physischer Komponenten, bis das gesamte Flugzeug in die Endmontage geht.
Erste Validierung in der A350-Produktion
Airbus hat kürzlich mit der Massenproduktionsintegration großer Komponenten begonnen, die mit der w-DED-Technologie hergestellt wurden, in die Frachttür-Umfangsstruktur des A350-Flugzeugs. In dieser Erkundungsphase werden diese von Airbus entworfenen spezifischen Teile von qualifizierten Zulieferern mithilfe der Plasma-W-DED-Technologie gedruckt, anschließend von Testia Bremen einer Ultraschallprüfung unterzogen und schließlich in den Airbus-eigenen Fabriken fertiggestellt und zusammengebaut. Diese Teile sind funktionell und geometrisch identisch mit den herkömmlichen Schmiedeteilen, die sie ersetzen, konnten jedoch erhebliche Kosteneinsparungen erzielen. Mit Blick auf die Zukunft plant Airbus, die w-DED-Komponenten des A350 als Ausgangspunkt zu nutzen, um diese Technologie schrittweise auf andere Projekte und kritischere Teile des Flugzeugs auszudehnen (langfristig einschließlich Tragflächen und Fahrwerk).
Entwickelt für DED
Noch wichtiger ist, dass diese Technologie das neue Konzept „Designed for DED“ hervorgebracht hat. Ingenieure müssen komplexe Komponenten nicht mehr in mehrere unabhängige Teile zerlegen, um sie getrennt herzustellen und zusammenzubauen. Stattdessen können sie sie als einzelne, strukturell optimierte integrierte Komponente entwerfen und in einem Durchgang drucken. Diese Fähigkeit, mehrere Teile in eine einzige Komponente zu integrieren, wird die Lieferkette effektiv vereinfachen, Montageschritte reduzieren und Produktionszyklen verkürzen, wodurch das Potenzial von Flugzeugen der nächsten-Generation auf der Grundlage von 3D-Designkonzepten voll ausgeschöpft wird.
Förderung der Herstellungsanwendung von Schlüsselkomponenten
Derzeit machen Airbus und seine Partner große Fortschritte beim Sammeln von Erfahrungen bei der Herstellung von Schlüsselkomponenten mithilfe der W-DED-Technologie (Wafer-to-find) und haben ermutigende Fortschritte erzielt. Ingenieure testen verschiedene Energiequellen, darunter Plasma, Lichtbogenschweißen, Elektronenstrahlen und Laserstrahlen, und evaluieren gleichzeitig sowohl Strategien zum „Outsourcing“ (Vergabe von Druckaufträgen an externe Hersteller) als auch zur „Inhouse-Fertigung“ (interne Produktion). Darüber hinaus wird diese Technologie auf der Ebene der Airbus Group standardisiert, um ihre Anwendung und Förderung im gesamten Unternehmen sicherzustellen.
Die Logik der Lufttüchtigkeit systematisch weiterentwickeln
Der zeitaufwändigste und anspruchsvollste Aspekt der Lufttüchtigkeitszertifizierung ist die Anerkennung der Sicherheit, also der Nachweis, dass die Materialien sicher sind. Die internationale zivile Luftfahrtindustrie verfügt über langjährige Erfahrung in der Praxis. Wenn wir von der Lufttüchtigkeitszertifizierung sprechen, beziehen wir uns eigentlich auf die Zertifizierung von Flugzeugteilen, die drei Aspekte umfasst: Materialien, Prozesse und Design. Die additive Fertigung-3D-Drucktechnologie-beinhaltet alle drei Elemente. Erstens handelt es sich bei der additiven Fertigung um einen Herstellungsprozess. Um den Wert dieser Technologie zu maximieren, ist ein Design für die additive Fertigung erforderlich. Durch den Einsatz neuer Materialien bei der additiven Fertigung von Teilen kommt ein weiteres Element hinzu, das eine Sicherheitsüberprüfung erfordert. Daher ist es am sichersten, dieses Problem Schritt für Schritt zu lösen und dabei die Risiken zu minimieren. Der Ansatz von Airbus zur additiven Fertigung von Titanlegierungs-DED spiegelt die „dreistufige“ Lufttüchtigkeitslogik wider, die im obigen Interview besprochen wurde. Zunächst wurde die Zuverlässigkeit des w-DED-Prozesses selbst überprüft, wobei Materialien und Design unverändert blieben, beginnend mit sekundären tragenden Strukturen wie A350-Frachttüren. Anschließend wurde es schrittweise auf primäre tragende Strukturen ausgeweitet und eine Optimierung „für DED“ gefördert. Derzeit liegt der Fokus darauf, das Potenzial traditioneller Materialien mit neuen Verfahren zu erschließen, anstatt gleichzeitig völlig neue Wege bei Materialien, Prozessen und Design zu gehen. Dieser schrittweise, risikokontrollierte Ansatz spiegelt nicht nur den notwendigen Rhythmus der Industrialisierung wider, sondern offenbart auch das Wesen der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt. -Es handelt sich nicht nur um technologische Innovation, sondern auch um ein systematisches Projekt des „Vertrauensaufbaus“. Die Frage, wie technologische Innovationen in zuverlässige Werte umgewandelt werden können, die im Rahmen der Lufttüchtigkeit zertifiziert und in Massenproduktion hergestellt werden können, sowie die zugrunde liegende Zeitplanung, Risikostratifizierung und Verifizierungslogik sind für die Branche möglicherweise eine eingehendere Überlegung wert als bestimmte technische Details.