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Nov 24, 2023

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An diesem Punkt in der Entwicklung der additiven Fertigung besteht kein Zweifel an der Relevanz der Technologie für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Dabei geht es nicht nur um eine singuläre additive Fertigung

An diesem Punkt in der Entwicklung der additiven Fertigung besteht kein Zweifel an der Relevanz der Technologie für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Dabei geht es nicht nur um einen einzelnen additiven Fertigungsprozess: Erstausrüster der Luft- und Raumfahrtindustrie setzen zunehmend auf eine breite Palette von 3D-Druckverfahren und -Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, vom direkten Metall-Laser-Sintern (DMLS) bis zum Fused Deposition Modeling (FDM). ) bis hin zur großformatigen additiven Fertigung (LFAM). In der letztgenannten Kategorie ist das italienische Unternehmen Caracol gut positioniert, um Luft- und Raumfahrthersteller bei der Herstellung großformatiger Verbundwerkstoffwerkzeuge zu unterstützen, und erweitert sein Know-how und seine Kapazitäten für die Herstellung großer Metallstrukturteile für Anwendungen im Weltraum. Wie wir im Detail sehen werden, bieten die einzigartigen und vielseitigen LFAM-Lösungen des Unternehmens – für Verbundwerkstoffe und Metall – mehrere Vorteile und ermöglichen es den Akteuren der Luft- und Raumfahrtindustrie, ein höheres Maß an Innovation und Effizienz zu erreichen.

Seit seiner Gründung im Jahr 2017 in Mailand hat sich Caracol dank seines anwendungsorientierten Ansatzes zu einem wichtigen Akteur in der LFAM-Landschaft entwickelt. In seinen Anfängen startete das Unternehmen als 3D-Druckdienstleister und nutzte seine robotergestützte additive Fertigungstechnologie sowie seine internen Design- und Konstruktionskapazitäten, um eine Reihe von Projekten und qualifizierten Teilen für Partner in verschiedenen Branchen zu produzieren. Von dort aus entwickelte und vermarktete das Unternehmen seine Polymer- und Verbund-LFAM-Technologie Heron AM, einen 6-Achsen-Roboter-3D-Drucker, der in der Lage ist, Teile ohne Maßstabsbeschränkungen und komplexe Geometrien herzustellen. Seit der Einführung der Plattform wurde sie von namhaften OEMs in fortgeschrittenen Sektoren eifrig übernommen.

Die großformatige Heron AM 3D-Drucklösung, die auf patentierter Hardware und proprietärer Software basiert, ist mit einer Reihe von Materialien kompatibel (einschließlich PP, ABS und PC mit Glas- oder Kohlefaserverstärkung) und bietet mehrere Vorteile für die Luft- und Raumfahrt Branchen, darunter:

In jüngerer Zeit ist Caracol auch in den Metall-AM-Bereich eingestiegen und entwickelt derzeit ein WAAM-System (Wire Arc Additive Manufacturing). Die Technologie wird zur Herstellung großformatiger Metallkomponenten eingesetzt, beispielsweise nicht-struktureller Fertigteile, Prototypen von Strukturteilen für Tests und kritischer Komponenten für Raumfahrzeuge. Das System ist noch nicht kommerzialisiert, aber es ist von zentraler Bedeutung für mehrere innovative Forschungsprojekte, darunter eines für die Raumfahrtindustrie, das wir im weiteren Verlauf des Artikels genauer untersuchen werden.

In der zivilen Luftfahrtindustrie bietet die Heron AM-Lösung von Caracol ein enormes Potenzial für die Herstellung von Verbundwerkstoffwerkzeugen. Beispielsweise wurde die Technologie erfolgreich zur Herstellung eines Trimm- und Bohrwerkzeugs aus glasfaserverstärktem ABS sowie eines Kaltlaminierwerkzeugs aus kohlenstofffaserverstärktem ABS eingesetzt. Beide Werkzeuge wurden bei der Herstellung und Wartung von Flugzeugrümpfen eingesetzt.

Trimm- und Bohrwerkzeuge werden bei der Konstruktion und Wartung von Flugzeugrümpfen verwendet, um Materialien wie Aluminium, Titan und Verbundwerkstoffe zu schneiden und zu formen. Rumpfkomponenten müssen präzise sein und den strengen Standards der Luftfahrtindustrie entsprechen. Daher ist es wichtig, dass Flugzeughersteller über die Mittel verfügen, hochwertige Trimm- und Schneidwerkzeuge herzustellen, die den Spezifikationen entsprechen. Kaltlaminierwerkzeuge wiederum sind auch ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung und Wartung von Flugzeugen. Insbesondere werden sie von Wartungsteams bei der Reparatur von Rumpfsystemen vor Ort eingesetzt, um eine dünne Schutzfilmschicht auf die Oberfläche von Rumpfkomponenten aufzutragen und so die Lebensdauer des Flugzeugs durch Schutz vor Korrosion, Kratzern und anderen Betriebsschäden zu verlängern.

Bei der Herstellung dieser Luftfahrtwerkzeuge verwendete Caracol die Heron 300+-Konfiguration, die mit einem High Flow (HF)-Extruder ausgestattet ist. Dieses LFAM-System ist in der Standardkonfiguration ohne Schiene in der Lage, Werkzeuge mit einer Länge von bis zu drei Metern zu drucken. Beide Werkzeuge wurden in einem Stück gedruckt, wodurch der Montageaufwand minimiert wurde, und wurden mittels CNC-Bearbeitung fertiggestellt, um enge Toleranzen und eine optimale Oberflächengüte zu gewährleisten.

Im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugprozessen ermöglicht die Lösung von Caracol Luftfahrtherstellern, den Materialabfall zu reduzieren (bis zu 70–80 %), das Gewicht der Werkzeuge zu reduzieren (um 80–90 % zur Erleichterung von Transport und Lagerung) und die Durchlaufzeiten um die Hälfte zu verkürzen (von 12 %). Wochen bis 5-6 Wochen). Dies wiederum führt zu einer deutlichen Kosteneinsparung von rund 50 %.

Caracol erforscht auch den Einsatz seiner Technologie für Aushärtungswerkzeuge, insbesondere zum Formen von duroplastischen Prepregs in Segmenten wie eVTOL-Flugzeugen (Electric Vertical Take-Off and Landing). Aushärtungswerkzeuge werden im Carbonfaser-Laminierungsprozess verwendet und werden in der Regel individuell auf der Grundlage der Geometrie der Endkomponente entwickelt. Bei der Herstellung von eVTOL-Flugzeugen werden diese Werkzeuge aus Hochleistungsverbundwerkstoffen wie Polycarbonat mit 20 % CF-Verstärkung hergestellt und müssen in der Lage sein, Autoklavenprozessen bei mittlerer Temperatur (bis zu 180 °C und 6 bar hinsichtlich der Arbeitstemperatur) standzuhalten Druck). Durch den Einsatz von LFAM zur direkten Herstellung der Verbundwerkstoffformen können Produktionsschritte eingespart werden (z. B. ist kein Urmodell mehr erforderlich). Darüber hinaus kann das Werkzeug dank der Designflexibilität von AM hinsichtlich Gewicht und Handhabung optimiert werden, was Logistik und Lagerung erleichtert.

„Dank seiner sechs Achsen und der mehrere Meter breiten Armreichweite druckt Heron AM Härtungswerkzeuge mit komplexen Geometrien in einem einzigen Arbeitszyklus, ohne dass eine Montage erforderlich ist“, erklärt Caracol. „Meistens wird die Form nach dem Drucken mit CNC nachbearbeitet, um die Oberflächenrauheit und Maßtoleranzen zu erreichen, die für die bearbeitbare Oberfläche erforderlich sind. Dadurch können wir die Form auch mit Nuten ausstatten, um das fertige Bauteil direkt in der Form zu beschneiden.“ Letztendlich können sich eVTOL-Flugzeughersteller einen Wettbewerbsvorteil verschaffen und die Produktionseffizienz steigern, indem sie bei der Aushärtung von Werkzeugen auf LFAM zurückgreifen, da dies eine Abfallreduzierung, schnellere Durchlaufzeiten und niedrigere Herstellungskosten ermöglicht.

Die Reichweite von Caracol in der Luft- und Raumfahrtindustrie geht auch über die großformatige additive Fertigung von Verbundwerkstoffen hinaus: Das Unternehmen treibt derzeit den Einsatz der additiven Metallfertigung für großformatige Strukturteile für Anwendungen im Weltraum voran. Dank einer Zusammenarbeit mit dem Raumfahrtlogistikunternehmen D-Orbit SpA und der Abteilung für Maschinenbau des Politecnico di Milano arbeitet Caracol an einem Projekt zur Entwicklung von Drucktanks, die auf Trägersatelliten montiert werden können, um CubeSats zu transportieren und in die Umlaufbahn zu bringen. Diese kompakten CubeSats werden dann für eine Vielzahl von Zwecken verwendet, etwa für die Datenerfassung und -forschung sowie für Telekommunikations- und Überwachungszwecke sowohl für Forschungs- als auch für kommerzielle Anwendungen.

Caracol beteiligte sich an dem innovativen Projekt nach einer finanzierten Ausschreibung, TechFast Lombardia (POR FESR 2014-2020). Kurz gesagt, das Unternehmen hat seine WAAM-3D-Drucklösung – basierend auf einem Metall-Inertgas-Schweißsystem (MIG) – verwendet, um einen Drucktank aus einer leichten Aluminiumlegierung (AL2319) zu entwickeln. Der Einsatz von AM hat im Vergleich zum konventionelleren Verfahren des Filamentwickelns bereits mehrere Vorteile gebracht, darunter komplexere, optimierte Designs, weniger Materialverschwendung und eine bessere Gewichtsreduzierung. Gewichtsreduzierung ist für diese Anwendung besonders wichtig, da sie die mit Satellitenstarts verbundenen Treibstoff- und Treibstoffkosten erheblich senken und die Startemissionen des Raumfahrzeugs verringern kann. Der WAAM-Prozess von Caracol rationalisiert außerdem den Produktionsprozess, indem Teile in einem einzigen Stück gedruckt werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Montage (sowie von Schalen, Kernen, Dornen, Fittings usw.) und die Durchlaufzeiten werden erheblich verkürzt.

Dieses Metall-AM-Projekt ist auch auf einer anderen Ebene von Bedeutung. Wie Caracol erklärt, haben die Projektpartner außerdem einen „Digital Flow“ entwickelt, der Software, Steuerung und Automatisierung kombiniert, um den End-to-End-Prozess der Herstellung von Metallteilen für die Luft- und Raumfahrt zu verwalten. Dieser digitale Fluss ermöglicht es dem Endbenutzer, „jede Prozessphase innerhalb eines hochautomatisierten und effizienten Arbeitsablaufs zu steuern, der Wiederholbarkeit garantiert, was WAAM-Technologien zu einer effektiven und effizienten Alternative zur herkömmlichen Fertigung macht.“

Die LFAM-Lösungen von Caracol für Verbund- und Metallmaterialien passen in einen größeren Trend in der AM in der Luft- und Raumfahrt – im wahrsten Sinne des Wortes. Die Branche ist an der großformatigen additiven Fertigung interessiert und arbeitet mit AM-Akteuren zusammen, um bestehende Einschränkungen und Herausforderungen bei der Implementierung der Technologie zu überwinden, um ihre Vorteile und Auswirkungen zu maximieren.

Eine der größten Herausforderungen heute ist der Mangel an technologischen Standards und Zertifizierungsansätzen für LFAM und sogar AM im weiteren Sinne. Wie Caracol sagt: „Für AM-Hardware sind robuste Qualitätskontrollen sowie Qualifizierungs- und Zertifizierungsverfahren erforderlich, um Qualität und Konsistenz sicherzustellen.“ Standards müssen branchenweit verfeinert und vereinbart werden, um die Wiederholbarkeit, Zuverlässigkeit und Qualität von AM-Komponenten für Luft- und Raumfahrtanwendungen sicherzustellen.“

Mit anderen Worten: Zertifizierungsprozesse für LFAM sind erforderlich, damit die Technologie für die Produktion struktureller Flugzeugkomponenten vollständig einsetzbar ist. Die größte Herausforderung bei der Einrichtung dieser Zertifizierungsprozesse hängt mit einigen Faktoren zusammen, darunter dem Mangel an detaillierten Charakterisierungs- und AM-Eigenschaftsdatenbanken. Glücklicherweise entwickeln und entwickeln ISO und ASTM eine Reihe von AM-Standards, die AM-Anbietern helfen werden, die strengen Anforderungen von Luft- und Raumfahrtanwendungen zu erfüllen. So verfügt Caracols Heron AM-Verfahren beispielsweise über die AS/EN 9100-Zertifizierung, die garantiert, dass die strengen Qualitätsstandards für die Produktion von Luft- und Raumfahrtanwendungen eingehalten werden.

Auch die Materialcharakterisierung ist ein wichtiges Thema, das angegangen werden muss, insbesondere wenn es um 3D-gedruckte Verbundwerkstoffe geht. Traditionell hergestellte Verbundwerkstoffe haben seit den 1980er Jahren die zivile und kommerzielle Luftfahrt verändert und werden häufig als leichtere Alternative zu Metallmaterialien verwendet. Die Möglichkeit, Verbundwerkstoffe in 3D zu drucken, könnte Flugzeugherstellern daher noch mehr Möglichkeiten eröffnen, indem sie den Materialabfall reduzieren und Teile durch optimierte Designs noch leichter machen. Ganz zu schweigen von der Fähigkeit, Verbundteile schneller zu produzieren und Kleinserien kosteneffizient zu produzieren. Mit weiterer Standardisierung und Validierung an dieser Front könnte Verbund-LFAM zu einer weit verbreiteten – und äußerst vorteilhaften – Lösung für die Luftfahrt werden.

Letztendlich wird die Bewältigung dieser Herausforderungen LFAM-Plattformen für Luft- und Raumfahrtanwendungen zunehmend nutzbar machen und es einem breiteren Spektrum von Flugzeug-OEMs ermöglichen, von den Vorteilen der Technologie zu profitieren. Vorteile wie Materialeinsparungen und Gewichtsreduzierung, was sich in einem geringeren Kraftstoffverbrauch niederschlägt; komplexere, auf Leistung optimierte Designs; Teilekonsolidierung, die Postproduktionsschritte wie Montage und Qualitätssicherung rationalisiert; agilere Produktionsmengen; und letztendlich kürzere Vorlaufzeiten und niedrigere Produktionskosten.