Luftfahrt: 3D-Druck per WAAM sorgt für leichtere Flugzeugteile

Ingenieure des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und des Luftfahrtkonzerns Boeing haben mithilfe eines Roboterarms innerhalb von acht Wochen im 3D-Druckverfahren eine Stamp Form Die (SFD) hergestellt, um damit eine leichte, hochleistungsfähige Tür aus thermoplastischen Verbundstoffen für Flugzeuge der nächsten Generation herzustellen. Die etwa zwei Tonnen schwere, 1,8 m hohe und 1,2 m breite Stanzform wurde aus geschmolzenem Stahl 3D-gedruckt.

Leichte Flugzeugteile werden gemeinhin mit Stanzformen hergestellt, die Teile aus thermoplastischen Verbundstoffen ausstanzen und das erhitzte Material zugleich formen. Mit herkömmlichen Verfahren dauert das Herstellen einer Stanzform für eine Flugzeugtür mehrere Monate. Dabei kommen traditionelle Methoden der Metallverarbeitung wie Zerspanen, Gießen, Schmieden und Bohren zum Einsatz. Da dieses Verfahren aufwendig und kostenintensiv ist, wird in der Flugzeugindustrie nach Möglichkeiten gesucht, solche Werkzeuge schneller und kostengünstiger zu produzieren.

Aus diesem Ansatz ist die Kooperation zwischen dem ORNL und Boeing entstanden. Unterstützt wird das Projekt vom U.S. Department of Energy (DOE). Indirekt ist auch die US-Weltraumagentur NASA dabei. Denn das Stanzwerkzeug soll im Rahmen des NASA-Projekts „Hi-Rate Composite Aircraft Manufacturing“ (HiCAM) eingesetzt werden. Das Projekt ist darauf ausgelegt, Flugzeuge aus Verbundstoffen schneller zu produzieren und das Fluggewicht zu reduzieren. Denn leichtere Flugzeuge benötigen weniger Energie und verursachen geringere Betriebskosten.

Die Herstellung einer solchen Stanzform für eine Flugzeugtür ist allerdings alles andere als trivial. Denn es handelt sich dabei nicht nur um eine einfache Stanz- und Form-Struktur, sondern es müssen etwa Heiz- und Kühlkanäle eingearbeitet sein, die dafür sorgen, dass die Formteile hochpräzise geformt werden können. Das Design der SFD erstellten die Ingenieure am Computer. Mittels Computersimulationen verfeinerten sie es so, dass bei Abkühlung des Druckmaterials auftretende Eigenspannungen nicht zu Verdrehungen und Maßabweichungen führen. Insgesamt 32 Iterationen waren in der Simulation nötig, um die endgültige Form für die Druckvorlage zu erreichen.

WAAM-Druckverfahren

Der 3D-Druck der Stanzform erfolgt in einer drahtlichtbogenbasierten additiven Fertigung (Wire-Arc Additive Manufacturing – WAAM) mittels des Arc-1-Systems. Dabei handelt es sich um einen Roboterarm, der einen Schweißbrenner zum Schmelzen und Auftragen mehrerer Drahtmaterialien zugleich bewegt. Die gleichzeitige Verarbeitung unterschiedlicher Metalle führt zu einer höheren Flexibilität in der Fertigung und erweitert die Möglichkeiten der druckbaren Geometrien. Zusätzlich können den ausgedruckten Objekten damit maßgeschneiderte, etwa spezifische mechanische Eigenschaften verpasst werden. Bei der SFD wurde so in Strukturbereichen Baustahl verarbeitet, um die nötige Festigkeit zu erzielen, an der Formoberfläche aber Edelstahl verwendet, um die Stanzform korrosionsbeständig, formstabil und langlebig zu halten.

Nach Fertigstellung der SFD erfolgte eine Glühbehandlung der Stanzform, um innere Spannungen abzubauen. Stützrippen wurden entfernt und die restlichen Fertigungsarbeiten abgeschlossen.

Die Projektpartner sind der Ansicht, dass das WAAM-Verfahren nicht nur in der Flugzeugindustrie angewendet werden kann, sondern angepasst etwa auch im Automobilbau, um leichtere Elektroautos herstellen zu können.