EFRE gefördertes Projekt - Förderkennzeichen LURAFO300 1H - „Gefördert durch die Europäische Union."
1. Kurzübersicht / Zusammenfassung / Zweck
Der Einsatz additiver Fertigungsverfahren bietet Konstrukteuren einen hohen Freiheitsgrad hinsichtlich der Gestaltung von Bauteilen. Die laseradditive Fertigung ermöglicht der Luft- und Raumfahrtindustrie eine belastungsgerechte Bauteilauslegung. Dies geht üblicherweise mit einer Reduzierung des Gewichts einher und trägt somit zu einer wesentlichen Kostenersparnis über die Produktlebensdauer bei, welche mit konventionell gefertigten Bauteilen nicht mehr erreicht werden kann.
Jedoch ist in der Praxis heute noch ein hoher Aufwand zu betreiben, um Fehler im Bauteil zu vermeiden und vorhandene Fehler sicher ermitteln zu können. Das pulverbasierte, schichtweise Aufbauen von Bauteilen mittels laseradditiver Fertigung kann beispielsweise zu Poren oder Gaseinschlüssen führen, die einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer des Bauteils aufweisen. Dieser Nachteil stellt eine kritische Hürde für den Einsatz laseradditiver Fertigungsverfahren in der Luft- und Raumfahrtindustrie dar.
Für den umfassenderen Einsatz in dieser Branche ist daher dringend die Entwicklung robuster und effizienter Prozesse in der laseradditiven Prozesskette erforderlich, wobei auch die prozessschrittübergreifenden Einflüsse auf vorhandene Defekte zu untersuchen sind. Unter robusten Prozessen ist dabei ein Prozessschritt oder eine Prozesskette mit einer möglichst geringen Streuung kritischer Produktparameter zu verstehen. Des Weiteren sind eine Überwachung dieser Parameter sowie ein umfassendes Online-Monitoring des Prozesses nötig.
Insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie mit ihren strikten Qualitätsanforderungen an sicherheitsrelevante Teile ist die Prüfung der gefertigten Bauteile essentiell. Daraus leitet sich ab, dass zunächst die Wechselwirkungen innerhalb eines Prozesses zu verstehen sind, wofür insbesondere bei der laseradditiven Fertigung die während eines Fertigungsprozesses aufgezeichneten Daten kommerzieller Systeme nicht ausreichend sind. Gleichzeitig ist zudem die Frage zu beantworten, inwieweit auftretende Defekte bei der laseradditiven Fertigung durch eine prozessintegrierte Wärmebehandlung und/ oder durch nachfolgendes heißisostatisches Pressen soweit reduziert werden können, dass im Zusammenspiel dieser beiden Prozessschritte unter allen Prozessbedingungen ein Bauteil entsteht, welches die gestellten technologischen Anforderungen erfüllt und für diese Anforderungen die kostengünstigste Lösung darstellt.
Die Beantwortung dieser Fragestellung ist nur sinnvoll zu bewerkstelligen, sofern Aussagen über die Auswirkungen von Fehlern (Effects-of-Defects) getroffen und kritische Fehlereigenschaften benannt werden können, weshalb hierfür ein tieferes Verständnis zu entwickeln ist.
Abschließend ist eine sichere Detektion auftretender Fehler durch geeignete Online-Monitoring Verfahren sicherzustellen und mit Post-Prozess Verfahren zu vergleichen. Insbesondere die Entwicklung neuer Datenanalysealgorithmen auf Grundlage von künstlicher Intelligenz und die Korrelation mit etablierten Prüfverfahren wie beispielsweise Computertomographie stehen hierbei im Vordergrund.
Durch die geplante Verbesserung der Erfassung relevanter Daten, insbesondere aus der laseradditiven Fertigung, trägt das Projekt auch zu einem langfristigen Paradigmenwechsel bei. Dieser sieht vor, Prozessdaten entlang der Prozesskette kontinuierlich zu sammeln, zu bewerten und mit einer (teil-) automatisierten zerstörungsfreien Prüftechnik lediglich bauteilspezifische Prüfungen vorzunehmen, womit der Prüfaufwand erheblich reduziert werden kann.
Digitale Assistenzsysteme auf Basis des maschinellen Lernens oder künstlicher Intelligenz sind potenzielle Ansätze, die langfristig in eine prozessbegleitende, datenbasierte Qualitätssicherung einfließen werden, weshalb der Generierung relevanter Prozessdaten mit möglichst geringer Streuung eine hohe Bedeutung beizumessen ist.
Daher zielt das in diesem Projektansatz verfolgte Vorgehen auf
- die Erhöhung der Datenqualität aus den Prozessen,
- die Robustheit und das tiefere Verständnis der Prozesse, sowie auf
- die Auswirkungen von Fehlern auf die Bauteillebensdauer.
Perspektivisch trägt dies zu der Entwicklung eines Alleinstellungsmerkmals am Standort Bremen im Bereich „Smart Additive Manufacturing“ bei.
Im Rahmen des geplanten Projektes soll am Beispiel eines Ti6Al4V-Bauteils aufgezeigt werden, dass die Bauteillebensdauer, durch entsprechendes Verständnis der Wechselwirkungen und Weiterentwicklung der einzelnen Prozessschritte in der laseradditiven Prozesskette, sowie deren Überwachung, gegenüber dem Stand der Technik signifikant verbessert werden kann.
In ArbeitsPosition AP4 werden die Aufgaben zur Handhabung laseradditiv gefertigter Bauteile gebündelt.
Hierbei konzentrieren sich die Tätigkeiten in AP4.1 auf die Konstruktionsdaten, die eine belastungsgerechte Bauparameterzuweisung vorbereiten und Bauteile mit Positionierungshilfen versehen werden sollen.
Arbeitspaket 4.2 umfasst die Entwicklung eines flexiblen, roboterbasierten Handhabungssystems, mit dem manuelle Bauteilbeschädigungen durch eine Entlastung der Mitarbeiter/innen und eine standardisierte Handhabung reduziert werden soll.
AP5 umfasst die Erstellung des Demonstrators am Ende des Projektes. Hierbei soll zunächst von Airbus ein Luftfahrt-relevantes Bauteil als Demonstrator definiert werden. Es wird ein bestehendes Bauteil (ggf. in einer für das Projekt abgewandelten Form) verwendet. Anhand des Bauteils soll aufgezeigt werden, dass neue Herstellparameter eine schnellere additive Fertigung erlauben, durch die für die Luftfahrt ohnehin erforderlichen, jedoch neu entwickelten Schritte in der Nachbehandlung (HIP, Handhabung), der Ausschuss oder zerstörungsfreie Prüfaufwand dennoch reduziert werden kann.