Hochleistungsschmelzverfahren für schnelle Bearbeitung
Additive Manufacturing (AM, additive bzw. generative Fertigung), bei der ein Teil Schicht für Schicht anhand einer CAD-Datei (computergestütztes Entwerfen, Gestalten und Konstruieren, Computer Aided Design) erstellt wird, hat im Vergleich zu den standardmäßigen Formgebungstechniken mehrere Vorteile. Man produziert ein Teil nahe an seiner endgültigen Form und minimiert auf diese Weise Nachbearbeitung und Energieverbrauch, verkürzt die Zeit und verringert den Materialverlust. Besonderen Wert hat diese Form der Fertigung für die Herstellung komplexer Geometrien mit hoher Genauigkeit. Bei der additiven Fertigung mittels Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting, EBM) werden die Teile schnell in einem Pulverbett in einem Vakuumkasten durch Schmelzen aufeinanderfolgender Pulverschichten mit einem Elektronenstrahl hergestellt. Seine langsame Geschwindigkeit in Kombination mit den Investitionskosten für die Ausrüstung machen es zu einem kostenintensiven Weg für die Massenproduktion von Luft- und Raumfahrtkomponenten auf Basis von Titanlegierungen. Das EU-finanzierte Projekt FASTEBM beschleunigte den Prozess mit Hilfe einer neuen Hochleistungselektronenstrahlkanone und der damit in Verbindung stehenden Prozesssteuerungstechnologie. Schlüssel zum Projekterfolg waren Modellierung und Simulation. Das Team entwickelte ein Modell des EMB-Prozesses weiter, mit dem die Einbindung von zweidimensionalen Simulationen in 3D gelingt. Die Forscher wandten eine Finite-Elemente-Modellierung der Elektronenkanone zur Verstärkung der Strahlkraft an, was der Schlüssel zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit war. Der Prototyp wurde von einem Projektpartner, der nun über ein eingetragenes Markenzeichen für die EBM-Technologie verfügt, in industriellen Prozessversuchen erprobt. Mit Hilfe der Simulationen konnten die Wissenschaftler ein Prozessfenster ermitteln, innerhalb von dem höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten möglich sind, während gleichzeitig eine annehmbar geringe Porosität und Zunahme für einen erfolgreichen Aufbau gewährleistet werden. Die Forscher entwickelten überdies Prozesskostenmodell. Seine Umsetzung ergab eine potenzielle Senkung des Verkaufspreises von Luftfahrtkomponenten aus Titan um rund 54 % im Vergleich zu konventionellen Bearbeitungsverfahren dank der Einsparungen bei den Produktionskosten. Das hätte offensichtlich enormen Einfluss auf die Wettbewerbsposition der EU-Luft- und Raumfahrtteilehersteller, unter denen viele kleine und mittlere Unternehmen sind. FASTEBM lieferte ein sehr schnelles, hochpräzises EBM-Prototypgerät mit Steuerungssoftware und Prozessmodellen für die großtechnische Produktion von Titan-Flugzeugzellenteilen. Mit der Weiterentwicklung wird die Technologie für etliche Teile und weitere AM-Prozesse infrage kommen und damit einen wichtigen Beitrag zur EU-Wirtschaft leisten.
Schlüsselbegriffe
Luft- und Raumfahrt, Massenproduktion, generative Fertigung, additive Fertigung, Elektronenstrahlschmelzen