Generativer 3D-Metalldruck 3D-gedruckt für den Orbit

Redakteur: Luca Meister

Thales Alenia Space und Poly-Shape bauen das grösste 3D-Metalldruckbauteil Europas für Satelliten. Das pulverbettbasierte Laserschmelzen kam dabei zum Einsatz. Florence Montredon, Additive Manufacturing Technology Development Manager bei Thales Alenia Space, und Stéphane Abed, CEO der Poly-Shape SAS, berichten im SMM-Interview über das spektakuläre Projekt.

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Leichtbau im All: «Koreasat-5A».
Leichtbau im All: «Koreasat-5A».
(Bild: Thales Alenia Space)

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.

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Im Projekt „Koreasat-5A” und „Koreasat-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 neun auf eins 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 Prozent der Masse konnten mit dieser AM-Lösung eingespart werden. Dies führte zu einem Endgewicht von nur 1,13 Kilogramm. Ein gewaltiger Sprung, wo es doch auf jedes Gramm bei solchen 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.

Fertigungslösungen von Concept Laser

Poly-Shape verfügt über 28 3D-Metalldruckanlagen, die verschiedene Bauraumgrössen aufweisen. Die grösste Bauraumdimension für das 3D-Drucken mit Aluminium ist derzeit eine „X Line 1000R” von Concept Laser. Sie verfügt über ein geschlossenes System für sichere Prozess- und Pulverführung entsprechend den Atex-Richtlinien. Darüber hinaus verfügt die Anlage 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 über einen noch großen Bauraum, der momentan weltweit einzigartig in Bezug auf das pulverbettbasierte Laserschmelzen ist. 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 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 mm3 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.

SMM: Frau Montredon, können Sie bitte das Projekt Koreasat-5A und -7 skizzieren?

Florence Montredon: Mit der Herstellung der Telekom-Satelliten Koreasat-5A und -7 wollten wir nachweisen, dass die Laserschmelztechnologie für unsere Anwendungen zahlreiche Möglichkeiten eröffnet. Die wesentlichen Vorzüge liegen in der kurzen Zeitachse von Konstruktion und Entwicklung bis zum fertigen Teil. Zudem in der hohen Wirtschaftlichkeit. Im Vorfeld unseres Projektes wurde zunächst ein erstes AM-Teil aus Aluminium gefertigt. Dieses Teil wurde erfolgreich im Jahr 2014 qualifiziert und für den „Turkmenalem Monacosat” im April 2015 eingesetzt. Die beiden neuen Teile für den Satelliten dienen als Basisträger der Antennen, welche zur Kommunikation mit der Bodenbasis eingesetzt werden. Sie sind ebenfalls aus Aluminium und wurden von Poly-Shape hergestellt. Die erste Herausforderung war, dass wir zwei identische Teile brauchten: Sie sind Zwillinge – einen für Koreasat-5A und den anderen Zwilling für Koreasat-7. Die zentrale Herausforderung aber war die Grösse. Im Vergleich zu unseren bisherigen Referenzen und Erfahrungen waren die Dimensionen der Teile enorm gross.

Was waren die besonderen Herausforderungen, um das größte 3D-Metallbauteil zu bauen?

Stéphane Abed: Die Fragestellungen waren zum Beispiel die Machbarkeit, Verzugsneigung, Geometrie oder auch das Gewicht. Mit CAE/CAD-Werkzeugen zur Optimierung gelang es den Konstrukteuren, das Design, also die Geometrie, verfahrensgerecht zu optimieren und gleichzeitig Gewicht einzusparen und die Belastungsanforderungen zu erfüllen. Die Konstrukteure haben einen sehr guten Job gemacht. Das finale Design wurde dann in enger Zusammenarbeit und Interaktion von Thales Alenia Space und Poly-Shape für die Fertigung in zahlreichen Stufen des Redesigns optimiert und feinjustiert. Wir sprechen hier von einer bionisch optimierten Konstruktion.

Florence Montredon: Der Antennenträger wurde dann spezifischen Bodentests unterzogen. Dazu zählen Vibrationstest und hohe Temperaturen im Vakuum, um eine geforderte Lebensdauer von 15 Jahren im Orbit zu testen.

Welche Erfahrungen haben Sie im Projekt mit dem Laserschmelzen im Vergleich zu den bisherigen Fertigungsstrategien gemacht?

Florence Montredon: Die pulverbettbasierte Laserschmelztechnologie eignet sich zur Optimierung des Designs und ermöglicht eine signifikante Einsparung an Gewicht. Und Gewichtsreduktion ist für uns eine der wichtigsten Zielvorgaben. Die tatsächlichen Kosten, um ein Kilogramm in den Orbit zu bringen, liegen als Daumenwert bei rund 20 000 Euro. Das Weltraumrecht ermutigt uns, auch die Menge an metallischen Werkstoffen in Flugobjekten zu verringern, weil sie eine Gefahr von Emissionen beim atmosphärischen Wiedereintritt des Satelliten darstellen. Es geht also um Leichtbau, Nachhaltigkeit und einen Beitrag zum Umweltschutz. Natürlich erwarten wir von diesen Technologien auch Kostenreduzierungen und Vorteile im knappen Zeitplan von Weltraummissionen. Wir haben im Projekt ein Kosteneinsparungspotenzial von rund 30 Prozent gegenüber der bisherigen konventionellen Lösung mit Montage ermittelt.

Welche Anlagen setzten Sie bei Poly-Shape für den 3D-Metalldruck ein?

Stéphane Abed: Poly-Shape verfügt über 28 3D-Metalldruckanlagen, die verschiedene Bauraumgrössen aufweisen. So können wir bei den Dimensionen auf die meisten Kundenwünsche eingehen. Prinzipiell sind wir auf Rapid Prototyping und Kleinserien ausgerichtet. Die grösste Bauraumdimension für das 3D-Drucken mit Aluminium ist bei Poly-Shape derzeit eine X Line 1000R von Concept Laser mit Lasercusing-Technologie. Die Verfahrenstechnik des Lasercusing war von hoher Bedeutung: Die Besonderheit der Anlagen von Concept Laser ist eine stochastische Ansteuerung der Slice-Segmente (auch „Islands” genannt), die sukzessive abgearbeitet werden. Das Verfahren sorgt für eine signifikante Reduzierung von Spannungen bei der Herstellung von sehr großen Bauteilen – wie in diesem Fall. Die X Line 1000R bietet eine ausbalancierte Temperierung des Bauraumes, um einen Verzug in den „übergroßen” Bauteilen zu vermeiden. Zudem können wir auf dieser Anlage nicht nur Aluminiumteile, wie bei Satelliten üblich, aufbauen, sondern auch reaktive Materialien verarbeiten wie Titan oder Titanlegierungen oder auch Legierungen auf Nickelbasis. Diese Werkstoffgruppen sind im Flugzeugbau wichtig. Inzwischen bietet Concept Laser auch eine X Line 2000R mit Multilasertechnik an. Dies könnte hinsichtlich der gesteigerten Aufbaurate sowie eines nochmals größeren Bauraums (800 x 400 x 500 mm3) eine interessante Option für uns sein. Die neueste Technik hat für uns enorme Bedeutung: Wir investierten allein 2015 rund 2,5 Mio. Euro in Anlagentechnik und Werkzeuge, zudem rund 1 Mio. Euro in Forschung und Entwicklung.

Welche neuen Erfahrungen konnten Sie im Projekt sammeln?

Stéphane Abed: Der 3D-Metalldruck erfordert zwingend ein verfahrensgerechtes Konstruieren, um die Vorteile eines digitalen Ansatzes voll auszuschöpfen. In Bezug auf die Geometriefreiheit sind die Vorteile gewaltig und mit nichts zu vergleichen, was es in konventionellen Fertigungstechnologien gibt. Digitale Teile sehen anders aus, leisten mehr, sind tendenziell leichter. In bestimmten Losgrößenbereichen, ich meine damit bei kleinen und mittleren Serien, sind sie wirtschaftlich oft die bessere Alternative. Aber die Grenzen verschieben sich von Jahr zu Jahr nach oben, und das eröffnet AM immer neue Horizonte. Natürlich sind Aufgaben für Thales Alenia Space besondere Herausforderungen an das ganze Team. Aber dies bietet auch den Vorzug, sehr viel Know-how in Konstruktion, Entwicklung und Prozessgestaltung aufzubauen. Das gilt natürlich auch für unsere anderen Kunden aus der Luft- und Raumfahrt. Ich sage immer: Die Luft- und Raumfahrt ist eine gute Schulung und Übung, um ganz vorne bei additiven Strategien mitzumischen.

Florence Montredon: Um eine solche Qualität für die anspruchsvollen Anwendungen in der Raumfahrt zu erzielen, braucht es natürlich auch eine starke Partnerschaft zwischen Endnutzer und Hersteller. Da muss man sich auf den Partner verlassen können. Voraussetzung war eine enge Zusammenarbeit und wechselseitige Interaktion von Thales Alenia Space und Poly-Shape auch, um die ambitionierten Zeitpläne einzuhalten. Teamwork und Kommunikation sind sehr wichtig.

Kommen wir zu den Perspektiven des pulverbettbasierten Laserschmelzens von Metallen. Welche Trends sehen Sie mittel- und langfristig durch AM-Technologie auf die Luft- und Raumfahrt zukommen?

Florence Montredon: Ich glaube, dass der 3D-Metalldruck neue Produkte ermöglicht, auf Basis eines sehr integrierten Ansatzes von Funktionen. Die Größe der Teile und die Aufbaugeschwindigkeiten werden sich wohl auch erhöhen. Das ist natürlich eine echte Herausforderung für die Maschinen- und Anlagenbauer. Ich glaube auch, dass zukünftig Technologien stärker kombiniert werden müssen, um den maximalen Nutzen für das Endprodukt auszunutzen. Das ist ein Gedanke für hybride Teile oder das hybride Bearbeiten, also AM und Fräsen, AM und Fügetechnik oder die Montage von AM-Teilen und laserbearbeiteten Profilen. In allen denkbaren Fällen spielt Lasertechnologie eine wichtige Rolle. Die neuen Möglichkeiten werden die Fertigung der Zukunft prägen. Konventionelle Technologien werden durch neue Technologien ergänzt werden. Sie wachsen zusammen, werden teilweise, wie in unserem Fall, substituiert. Die Zukunft ist bunt und bietet vielfältige Antworten. Die digitale Prozesskette des 3D-Druckens wird dabei Impulse setzen. Für neue Produkte mit Eigenschaften, die die heutigen Lösungen übertreffen und für neue Fertigungskonzepte, die Gewicht, Zeit und Kosten sparen.

Was erwarten Sie aus Sicht von den Maschinen- und Anlagenbauern?

Stéphane Abed: Eine junge Technologie wie das Laserschmelzen bietet hohe Chancen, aber auch Risiken. Das gilt für die Anlagenbauer und uns Anwender genauso. Technischer Fortschritt im rasanten Tempo erzwingt ständiges Investieren in die neueste Technik, um die Wertschöpfung zu verbessern. Beim 3D-Drucken liegen die Innovationsschübe auf einem Niveau vergleichbar der Computerindustrie. Als täglicher und inzwischen langjähriger Anwender der Technologie wird Poly-Shape zukünftig mehr Qualitätsmanagement und eine höhere Produktivität im Fertigungsprozess benötigen. Die Teile, die wir produzieren, sind funktionell höchst anspruchsvoll und hohen Belastungen ausgesetzt. Dies erfordert ein extrem hohes Qualitätsniveau, um die ambitionierten Anforderungen zu erfüllen. Das Qualitätsmanagement kann mit den neuesten Anlagen am Markt direkt im Herstellungsprozess durchgeführt werden. Concept Laser bietet dazu zum Beispiel „QM Meltpool 3D” als Tool. Bislang übliche, zerstörende und teure Prüfungen entfallen dadurch. Der zweite Punkt betrifft die Aufbaugeschwindigkeit unter wirtschaftlichen Aspekten. Antworten dazu sind die Multilasertechnik und weitere Anstrengungen der Maschinen- und Anlagenbauer. -mei-

Dieser Beitrag erschien zuvor auf unserem Partnerportal SMM

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