Additive Fertigung von Ti-Bauteilen in der Luftfahrt – Vom Prototypen in die Serienfertigung

Die Additive Fertigung hat in den letzten Jahren extrem an Bedeutung in der Luftfahrt gewonnen. Dies gilt insbesondere für die Anwendung von Ti-Legierungen. Neben der Verkürzung der Durchlaufzeit ermöglicht die Technologie zukünftig vor allem eines: die Fertigung von komplexen Strukturen, die wiederum signifikante Gewichtsreduzierungen erlauben. Dies sind nur zwei jener Gründe, die die Premium AEROTEC Ende 2013 dazu bewegt haben, in diese Technologie zu investieren und im Juni 2014 eine eigene AM-Anlage am Standort Varel in Betrieb zu nehmen. 

Zunächst wurde diese Anlage dazu eingesetzt, um eigene Erfahrungen mit dieser Technologie zu sammeln. Hierbei wurde auch bewusst an den Grenzen des Systems gearbeitet, um Fehler im AM-Prozess zu provozieren und deren Auswirkungen auf die nachfolgende Prozesse und die Bauteileigenschaften zu untersuchen.

Nach der Inbetriebnahme der ersten AM-Anlage im TZV (Technologiezentrum Varel) hat die Entwicklung innerhalb der Premium AEROTEC rasch industrielle Formen angenommen: Noch im selben Jahr wurden die ersten Prototypen des sogenannten VentBent für den A400M hergestellt. Dabei handelt es sich um einen doppelwandigen Rohrkrümmer, der im Betankungssystem des Militärtransportes Anwendung findet und bislang als Guss- bzw. Schweißbaugruppe ausgelegt war.  Im März des darauffolgenden Jahres wurde schließlich mit der Qualifikation dieser Bauteilfamilie begonnen, die in weniger als zwölf Monaten mit dem Bestehen des Audit durch das Luftfahrtbundesamtes ihren erfolgreichen Abschluss fand. Gegenüber der konventionellen Herstellung konnte die Durchlaufzeit damit trotz des Aufwandes für die Qualifikation diese Technologie um mehr alle 30 % verkürzt werden. Die inzwischen angelaufene Serienfertigung dieser Bauteilfamilie erlaubt sogar eine Verkürzung der Durchlaufzeit um über 60 % gegenüber der konventionellen Fertigungsroute. In Rahmen der Qualifikation und der Serienfertigung konnte zudem eine hohe Prozessstabilität für die verwendete Anlage nachgewiesen werden: Zum einen lagen alle mechanischen Kennwerte  reproduzierbar 5-10 % oberhalb der geforderten Grenze und zum anderen wurden von den bislang am Standort Varel produzierten VentBents weit weniger als 2 % aussortiert, die nicht den hohen Qualitätsansprüchen in der Luftfahrt genügen.

Nach der ersten erfolgreichen Qualifikation eines Ti-Bauteils in der Luftfahrt überhaupt beschäftigt sich die Premium AEROTEC seit Anfang diesen Jahres intensiv mit der Qualifikation des AM-Prozesses. Dieser Prozess soll noch im Herbst diesen Jahres abgeschlossen sein und erlaubt es losgelöst vom Bauteil Ti-Strukturbauteile, die mit der Additiven Fertigung hergestellt wurden, mit einer luftfahrtrechtlichen Zertifizierung auszuliefern. Dabei gilt es nicht nur den AM-Prozess als solches zu beherrschen, sondern die gesamte Fertigungskette, zu der u. a. auch Prozesse wie die Warmbehandlung,  das Drahterodieren, der HIP-Prozess oder auch Qualitätssicherungs-Prozesse wie die Röntgenographie zählen. Diese Prozesse werden parallel zu Prozessqualifikation derzeit ebenfalls intern aufgebaut. Der Grund hierfür ist einfach: nur das Verständnis der gesamtem Prozesskette erlaubt es, die Prozesskette ganzheitlich hinsichtlich Qualität und Kosten zu optimieren.

Zu der industriellen Umsetzung der AM-Technologie gehört jedoch nicht nur die technische und industrielle Umsetzung des AM-Prozesses und der dazu notwendigen Peripherie, sondern darüber hinaus auch ein Selektionsalgorithmus, um die richtigen Teile für den Prozess auswählen zu können. Auch diesem Thema hat sich die Premium AEROTEC in den vergangenen Monaten intensiv gewidmet. Inzwischen ist dieser Entwicklungsschritt soweit abgeschlossen, dass ein Algorithmus zur Verfügung steht, der es erlaubt, ein Spektrum von mehreren tausend Teilen hinsichtlich relevanter Kriterien, wie z. B. Werkstoff oder auch Bauteilgröße binnen weniger Tage zu durchsuchen  und z. B. in Bezug auf AM-Fähigkeit und auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu bewerten.

Fazit: Die industrielle Umsetzung der Additiven Fertigung in der Luftfahrt bedeutet mehr als nur Bauteile zu „drucken“. Es bedarf einem Gesamtverständnis für die dafür notwendige Prozesskette und deren industriellen Umsetzung. Diese beginnt mit der Auswahl der Bauteile und endet erst mit der Auslieferung des Bauteils entsprechend der luftfahrtrechtlichen Vorschriften.

Autor des Artikels:

Dr.-Ing. Kai Schimanski
Dr.-Ing. Thomas Bielefeld
Premium AEROTEC, Varel