3D-Metalldruckbauteil für Satelliten
Meilenstein des generativen 3D-Metalldrucks
Additive Manufacturing macht mehr als nur Schlagzeilen. Die industrielle Revolution des 3D-Metalldrucks setzt Zeichen der Veränderung von Fertigungsstrategien. Und es werden Fakten geschaffen, die einen prinzipiellen Paradigmenwechsel für die Fertigung von Metallteilen ankündigen. AM setzt in der Substitution oder als hybride Strategie mit konventionellen Methoden der Zerspanung Akzente.
Einmal mehr zeigt sich die Luft- und Raumfahrt als Innovationstreiber und Speerspitze der digitalen Fertigung. Das jüngste Signal kommt von Thales Alenia Space. In Zusammenarbeit mit dem 3D-Druck-Dienstleistungsunternehmen Poly-Shape entstanden generativ gefertigte Teile für die neuen südkoreanischen Kommunikationssatelliten Koreasat-5A und Koreasat-7. Koreasat-7 soll 2017 in den Orbit auf Position 116 Ost gebracht werden, um von dort aus Südkorea, die Philippinen, Indonesien und Indien abzudecken. Koreasat-5A wird von der Position 113° Ost Korea, Japan, Indochina und den Mittleren Osten abdecken. Koreasat-5A soll noch vor dem zweiten Quartal 2017 auf Position gebracht werden.
XXL-Bauteil entsteht in gemeinschaftlicher Zusammenarbeit
Die Antennenträger Koreasat-5A und Koreasat-7 werden die bislang größten Volumenteile des pulverbettbasierten Laserschmelzens von Metallen aus Europa im Orbit sein. Mit Abmessungen von 447 x 204,5 x 391 mm3 – und das bei einem Gewicht von nur 1,13 kg – kann man wirklich von einem Leichtbauteil sprechen. Eine Ingenieursleistung im XXL-Format. Die generativ gefertigten 3D-Bauteile dienen als Basisträger der Antennen der Satelliten Koreasat-5A und Koreasat-7, welche zur Kommunikation mit der Bodenbasis eingesetzt werden. In beiden Satelliten wurde ein identisches Teil verbaut. Die Abmessungen waren dabei eine echte Herausforderung für Thales Alenia Space. Sie wurden von der französischen Poly-Shape SAS hergestellt. Diese ist ein renommierter Partner der Luft- und Raumfahrtindustrie, wenn es um Prototyping, 3D-Metalldruck und Montagen geht.
Leichtbau und Kostenreduzierung als entscheidende Vorteile
Aluminium (Al) ist aufgrund von Gewicht und thermischer Leitfähigkeit das häufigste metallische Material für Satelliten. Je weniger Gewicht in den Orbit gebracht werden muss, desto besser. Florence Montredon, Leiterin AM bei Thales Alenia Space: „Die tatsächlichen Kosten, um ein 1 kg in den Orbit zu bringen, liegen als Daumenwert bei rund 20.000 EUR. Da zählt jedes Gramm. Das Startgewicht der beiden neuen Satelliten liegt bei rund 3.500 kg.“ Das Leichtbaupotenzial von AM war daher ein wichtiger Aspekt, um herkömmliche Fertigungsverfahren abzulösen. Für diese AM-Teile wählte Thales Alenia Space eine AISi7Mg-Legierung. Für Weltraumanwendungen werden hohe Festigkeit, Steifigkeit und Korrosionsbeständigkeit der eingesetzten Materialien gefordert.
Im Zuge der Bauteilvalidierung zeigte sich zudem eine geringe Porositätsrate von <1 % am fertigen Bauteil. Auch die Zug- und Scherversuche offenbarten erfreuliche Erkenntnisse, sodass z. B. die Tests zu Ermüdungserscheinungen nach Wöhler, Werte ergaben, die die geforderten Spezifikationen deutlich überboten. Kleine Abweichungen an der Geometrie konnten durch einfache Nachbehandlung behoben werden, ebenso ein kleiner Riss, welcher durch das CT erkennbar wurde. Kleinere Poren im Inneren der Geometrie konnten nach einer lokalen mechanischen Analyse akzeptiert werden. Schließlich durchliefen die Teile erfolgreich die dynamischen Tests bei Thales.
Florence Montredon: „Die Effekte waren enorm: 22 % Gewichtseinsparung der bionischen AM-Konstruktion gegenüber einer konventionellen Konstruktion. Nicht zu vergessen rund 30 % Kostenreduzierung bei einer sehr viel schnelleren Verfügbarkeit bis zum fertigen Teil.“ Die Kostenreduzierung von 30 % beruht auf verschiedenen Faktoren. Zunächst der Entfall des Montageaufwandes: Das Redesign als generatives, bionisches Bauteil reduzierte die bisherige Anzahl von 9 Teilen auf ein Teil. Und zwar durch Fertigung in einem Schuss, ohne den bisherigen Montageaufwand. Zweitens entfiel der Formenbau, welcher alternativ beim Gießverfahren notwendig gewesen wäre. Drittens sind die zeitlichen Aspekte interessant, um die ambitionierten Etappen eines solchen Projekts termingerecht zu absolvieren. Time-to-market nennt man dies in der Industrie. Time-to-fly sagt man in dieser Branche.
Maschinen- und Anlagentechnik in XXL
Poly-Shape verfügt über 28 3D-Metalldruckanlagen, die verschiedene Bauraumgrößen aufweisen. Die größte Bauraumdimension für das 3D-Drucken mit Aluminium ist bei Poly-Shape derzeit eine X line 1000R von Concept Laser. Sie bietet einen Bauraum von 630 x 400 x 500 mm3 und verfügt über ein geschlossenes System für sichere Prozess- und Pulverführung entsprechend den ATEX-Richtlinien. Darüber hinaus verfügt die X line 1000R über einen Drehmechanismus zum wechselseitigen Einsatz von zwei Baumodulen, sodass eine permanente Produktion ohne Fehlzeiten garantiert ist.
Diese einmalige Anlagenkonzeption führt nicht nur zu einer höheren zeitlichen Verfügbarkeit, sondern auch zu einem einfachen und vor allem sicheren Handling beim Rüsten und Abrüsten der Maschine. Das Nachfolgemodell, die X line 2000R, verfügt sogar über einen noch größeren Bauraum (800 x 400 x 500 mm3), welcher momentan weltweit einzigartig in Bezug auf das pulverbettbasierte Laserschmelzen ist. Das nutzbare Bauvolumen erhöht sich, gegenüber einer X line 1000R, nochmals um knapp 27 % von 126 l auf 160 l. Das Nachfolgemodell arbeitet zudem mit zwei Lasern mit je 1.000 Watt Leistung. Die Verfahrenstechnik des LaserCUSING von Concept Laser war für das Projekt von großer Bedeutung: Die Besonderheit der Anlagen von Concept Laser ist eine stochastische Ansteuerung der Slice-Segmente (auch „Islands“ genannt), die sukzessive abgearbeitet werden.
Das patentierte Verfahren sorgt für eine signifikante Reduzierung von Spannungen bei der Herstellung von sehr großen Bauteilen. Bei enormen Abmessungen von 447 x 204,5 x 391 cbmm liegt es auf der Hand, den Verzug maximal beherrschen zu wollen. Die X line 1000R bietet eine ausbalancierte Temperierung des Bauraumes, um einen Verzug in den „übergroßen“ Bauteilen zu vermeiden. Natürlich ist die große, bionische und filigrane Geometrie im Aufbau zeitaufwendig: Es dauerte dennoch nur wenige Tage, um sie zu drucken.
Verfahrensgerechtes Konstruieren und Optimieren
Der Übergang auf AM bedeutet auch ein Umdenken in der Konstruktion. Um die Potenziale des Laserschmelzens vollständig auszuschöpfen, macht es keinen Sinn, eine Geometrie 1:1 nachzubauen. Leichtbau und Bionik erfordern ein verfahrensgerechtes Konstruieren. Dazu werden CAE/CAD-gestützte Methoden angewandt, um die 3D-Bauteile auf leistungsgerechte Geometrie, Bionik und Leichtbau zu trimmen. Das Design wurde in mehreren Durchläufen bei Thales Alenia Space optimiert (AM design optimization), beispielsweise auf die verschiedenen Techniken des Fügens und Montierens. Zudem wurde es in die Umgebung des Satelliten feinjustiert, um eine maximale Passgenauigkeit zu gewährleisten.
In 2 - 3 Durchläufen wurde die Topologie optimiert. Anschließend wurden die CAD-Daten einem Redesign und Glättungen unterzogen, bevor eine mechanische Analyse und Simulation stattfand. Weiterhin wurde das Design auf die verfahrensbedingten Gegebenheiten im Bauraum mit Poly-Shape optimiert. Dies betraf die Orientierung des Teils im Bauraum und die notwendigen Supportstrukturen. Thales Alenia Space bezog auch Methoden des LBM ein (Layer Based Manufacturing). Florence Montredon: „Es ist klar, dass wir AM als guten Kandidaten für weitere Projekte identifiziert haben. In Zukunft möchten wir auch thermische Kontroll- oder Radio-Funktionen direkt auf oder innerhalb der 3D-Strukturen aufnehmen. Also Funktionsintegration als nächste Aufgabe. Auch dies ist eine logische Konsequenz aus den Potenzialen von AM.“
Fazit
Im Projekt Koreasat-5A und 7 wurde die Machbarkeit von hoch anspruchsvollen und sehr großen AM-Teilen für Anwendungen im Weltraum aufgezeigt. Das Redesign als generatives, bionisches Bauteil erlaubte es, die Teileanzahl von 9 Teilen auf ein Teil zu reduzieren. Der Herstellungsprozess konnte dank des Verfahrens in einem Schuss, also ohne den bisherigen Montageaufwand, gefertigt werden. Es ergab sich auch ein deutlich verbessertes Leichtbaupotenzial.
22 % der Masse konnten mit dieser AM-Lösung eingespart werden. Dies führte zu einem Endgewicht von nur 1,13 kg. Das war ein gewaltiger Sprung, wo es doch auf jedes Gramm bei diesen Anwendungen ankommt. Die 3D-Geometrie konnte optimal auf den Einsatz im Orbit hin getrimmt werden. Das Projekt zeigte anhand beeindruckender Ergebnisse die Potenziale der additiven Fertigung in der Raumfahrt auf und wird zukünftig sicher nicht das letzte dieser Art sein.
