SUBMAG – Concept Laser GmbH third · Familie sowie die doppelstöckige A380. Das einzigartige ......

ExpErtEnrundE

Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann CEO, Laser Zentrum Nord GmbH, Hamburg

Frank Herzog CEO, Concept Laser GmbH, Lichtenfels

Peter Sander Leiter Emerging Technologies & Concepts, Airbus, Hamburg

hofmann innovation group

thirdDIMENSIONSmagazine

SUBMAG – Concept Laser GmbH

Laserschmelzen mit Metallen (LaserCUSING)third DIMENSIONS magazine

LasErschmELzEn mit mEtaLLEn im FLugzEugbau3D-Druck ermöglicht „bionische“ Flugzeugkonstruktionen

Laserschmelzen mit Metallen gewinnt im Flug-zeugbau an Bedeutung: Schnellere Durchlauf-zeiten, günstigere Bauteile und eine bislang unbekannte Freiheit in der Formgebung sind auch hier klassische Argumente. Neue Aspekte sind aber auch Leichtbau, Bionik und veränder-tes, konstruktives Denken. Ein Verbindungsele-ment, sogenannte Brackets, die im Airbus A350 XWB zum Einsatz kommen, wurden als Finalist mit dem „Innovationspreis der deutschen Wirt-schaft 2014“ ausgezeichnet.

Airbus A350

Airbu

s

Conc

ept L

aser

GmbH

, Lich

tenfel

sAir

bus

Lase

r Zen

trum

Nord

GmbH

Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, Laser Zentrum Nord: „Große Po-tenziale sehe ich insbesondere für Strukturbauteile von Abmessun-gen bis zu einem Meter, sowie für Bauteile im Triebwerksbereich.“

Frank Herzog, Concept Laser: „Unsere Qualitäts-Manage-ment-Module („QM-Module“) entwickeln wir ständig weiter, um in puncto Aussagegüte, Bedienbarkeit, aber auch in der Einflussnahme auf den laufenden Bauprozess Maßstäbe zu setzen.“

Peter Sander, Airbus: „Wenn die Entwicklung so fortschreitet, sehe ich keine technischen Beschrän-kungen. Die Entscheidung wird dann letztendlich über die Wirt-schaftlichkeit und damit über die industrielle Verfügbarkeit von Metallpulvern und Hochgeschwin-digkeitsmaschinen fallen.“

third DIMENSIONS magazine Laserschmelzen mit Metallen (LaserCUSING)

bautEiL dEs airbus a350 xWb WurdE FinaList bEim ”innovationsprEis

dEr dEutschEn WirtschaFt 2014“

den nächsten 20 Jahren mit einer Verdoppelung der weltweiten Kapazitäten im Flugzeugbau. Wir sprachen mit den Projektpartnern:

Bislang haben wir von „Composite-Flugzeugen“ gehört und nun kommen generative Fertigungstechniken, wie Laserschmelzen von Metallen oder Kunststoffsintern, im Flugzeugbau auf. Wie verändert dies die Konstruktion von Flugzeugstrukturelementen?

Peter Sander: In erster Linie suchen wir nach Ge-wichtsreduzierung. Dieser Ansatz hilft unseren Kunden den Airlines, ihre Flugzeuge ökonomi-scher zu betreiben. Das additive Layer Manufac-turing bzw. Laserschmelzen mit Metallen, kurz 3D-Drucken, erlaubt uns, völlig neue Strukturen zu konstruieren. Diese sind faktisch um mehr als 30% leichter als konventionelle Konstruktionen des Gießens oder Fräsens. Dazu kommt, dass wir direkt aus der 3D-Konstruktion auf den Drucker, also die Laserschmelzanlage, gehen können. Normalerweise braucht man zur Herstellung von Flugzeugteilen Werkzeuge. Diese entfallen

Bislang war das Bauteil ein gefrästes Teil aus Alu-minium (Al), nun ist es ein gedrucktes Teil aus Titan (Ti). Offensichtlich ist es deutlich leichter, als bisher. Doch was bedeutet die Änderung der Fertigungsstrategie perspektivisch und tech-nologisch für den Flugzeugbau in der Zukunft? Nebenbei bemerkt: Brancheninsider rechnen in

Kabinenhalter „Bracket“ des Airbus A350 XWB aus Ti, hergestellt mit LaserCUSING

Airbu

s


Claus Emmelmann: Die Vorteile für Flugzeug-strukturelemente sind augenfällig. Die hohe geometrische Gestaltungsfreiheit ermöglicht gegenüber konventionellen Herangehenswei-sen effektivere Leichtbaulösungen. Dies bedeu-tet für die gegenwärtig im Fokus stehenden

jetzt für uns. Das spart Geld und beschleunigt die Zeit bis zur Bauteilverfügbarkeit um bis zu 75%. Um einen Daumenwert zu nennen: Früher veranschlagten wir für eine Bauteilentwicklung rund sechs Monate – heute ist daraus ein Monat geworden.

Über Concept Laser

Die Concept Laser GmbH ist ein eigenständiges Unterneh-men aus Lichtenfels (D). Das Unternehmen ist seit seiner Gründung im Jahre 2000 treibender Innovator auf dem Ge-biet der Laserschmelz-Technologie mit dem patentierten LaserCUSING® branchenübergreifend tätig. Der Begriff LaserCUSING®, zusammengesetzt aus dem C von CONCEPT Laser und dem englischen FUSING (vollständig aufschmelzen) beschreibt die Technologie: Das Schmelzver-fahren generiert Schicht für Schicht Bauteile unter Verwen-dung von 3D CAD Daten. Das Verfahren ermöglicht es, komplexe Bauteilgeometrien werkzeuglos zu fertigen, um Geometrien als Bauteile zu realisieren, die mit konventionellen Herstellmethoden nur sehr schwierig oder überhaupt nicht herstellbar sind.

Mit dem LaserCUSING®-Verfahren können sowohl Werk-zeugeinsätze mit konturnaher Kühlung, als auch Direkt-bauteile für die Branchen Schmuck, Medizin, Dental, Auto-motive, Luft- und Raumfahrt gefertigt werden. Dies gilt für Prototypen und Serienteile.Angeboten werden Standardanlagen und kundenspezifische Anlagenkonzepte für das Metall-Laserschmelzen. Full-Service als Option bedeutet für Concept Laser: Die Kunden können Anlagen beziehen zum Metall-Laserschmelzen oder direkt auf Dienst- und Entwicklungsleistungen zurückzugreifen. Die Laserbearbeitungsanlagen von Concept Laser verarbei-ten Pulverwerkstoffe aus Edelstahl, Warmarbeitsstählen, Kobalt-Chrom-Legierung, Nickelbasislegierung, sowie reak-tive Pulverwerkstoffe, wie Aluminium- und Titanlegierun-gen. Edelmetalle wie Gold- oder Silberlegierungen für die Schmuckherstellung werden auch angeboten.

LaserCUSING® eröffnet neue Perspektiven in puncto Wirt-schaftlichkeit und Geschwindigkeit zur effizienteren Pro-duktentwicklung in Branchen wie: • Schmuck• Medizin-undDentaltechnik• Luft-undRaumfahrtindustrie• Werkzeug-,Formen-undMaschinenbau• AutomobilbauundRennsportDie Anlagen verkürzen die Entwicklungszeiten und redu-zieren deutlich die Entwicklungskosten, bei einer deutlich höheren Flexibilität in der Produktentwicklung. Die hohen qualitativen Ansprüche, das Niveau der Erfah-rung und die Referenzen von Concept Laser stehen für pro-zesssichere und kosteneffektive Lösungen, die im Produkti-onsalltag ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen und primär auf Stückkostenreduktionen ausgerichtet sind.

tionsmuster mit seriennahem Bauteilcharakter herzustellen, ohne hohe Kosten für Werkzeuge oder andere Vorlaufkosten berücksichtigen zu müssen. So können bereits im frühen Stadium der Konstruktion Fehlerquellen identifiziert und der Projektablauf optimiert werden.

Welche Effekte ergeben sich, wenn man von einem ge-frästen oder gegossenen Teil auf ein gedrucktes Bauteil umsteigt?

Peter Sander: Speziell beim Fräsen von Flug-zeugteilen entsteht bis zu 95% recyclingfähiger Abfall. Beim Laserschmelzen erhalten wir ein sog. „endkonturnahes Bauteil“, dessen Abfall bei ca. 5% liegt. Das macht das Verfahren speziell bei hochwertigen und teuren Flugzeugmate-rialien, wie Titan, überaus interessant. Gegen-über dem Gießen haben wir den zusätzlichen Vorteil, dass wir kein Gusswerkzeug benötigen. Dies drückt sich augenfällig in Zeitersparnis und Verbesserungen der Kostenstruktur aus. Außer-dem kommt hinzu, dass Gussbauteile mit zu-sätzlichen Sicherheitsfaktoren belegt sind, wie beispielsweise Lunker. Nicht zuletzt, sie sind schwerer als gedruckte Bauteile.


Aktive Qualitätssicherung mit dem QMmeltpool: Für das menschliche Auge ist kein Fehler erkennbar. Ab-weichungen in der Bauteilqualität erkennt QMmeltpool dennoch

Conc

ept L

aser

GmbH

, Lich

tenfel

s

Haltelemente, auch Brackets genannt, eine deutliche Gewichtsreduktion, die sich in niedri-geren Treibstoffverbräuchen oder einem Poten-zial für erhöhte Flugzeugzuladungskapazitäten widerspiegeln. Dies sind wichtige Schritte für nachhaltigere Lösungen.

Wie verändert das additive Verfahren die Projektabläufe?

Claus Emmelmann: Eine berechtigte Frage. Denn nicht nur das Bauteilgewicht ändert sich. Auch die Projektabläufe können von den Ei-genheiten einer laseradditiven Fertigung pro-fitieren. Durch die werkzeuglose Natur des Verfahrens ist es nun möglich, bereits früh Funk-


Über AIRBUS

Airbus ist der führende Hersteller ziviler Flugzeuge mit der modernsten und effizientesten Familie von Ver-kehrsflugzeugen für den Markt ab 100 Sitzen. Als Vorrei-ter für innovative Technologien bietet Airbus einige der sparsamsten und leisesten Flugzeuge der Welt.Airbus hat in den letzten 40 Jahren als Technologieführer mit ausgeprägter Kundenorientierung, umfassendem kommerziellen Know-how und hoher Fertigungseffizi-enz eine Spitzenposition in der Branche erobert. Heute verbucht das Unternehmen, das die neu gebildete “Air-bus Group” anführt, etwa die Hälfte aller Neuaufträge für Verkehrsflugzeuge für sich.Die umfassende Airbus-Produktpalette besteht aus mehreren überaus erfolgreichen Flugzeugfamilien mit einer Passagierkapazität von 100 bis über 500 Sitzen. Dies sind die A320-Familie von Single-Aisle-Flugzeugen, mit der A320neo, dem erfolgreichsten Flugzeug in der Luftfahrtgeschichte, die A330-Familie von Langstrecken-Großraumflugzeugen (mit Fracht- und auf der A330 ba-sierenden MRTT-Versionen), die völlig neue A350 XWB-Familie sowie die doppelstöckige A380. Das einzigartige Airbus-Familienkonzept stellt für alle Airbus-Flugzeuge

höchste Kommunalität bei den Flugzeugzellen, Bordsys-temen, Cockpits und Flugeigenschaften sicher. Die Be-triebskosten der Airlines werden dadurch wesentlich ge-senkt. Mit umfassenden, genau auf die Anforderungen der einzelnen Betreiber in aller Welt zugeschnittenen Service-Leistungen unterstützt Airbus Fluggesellschaf-ten gezielt und engagiert dabei, die Rentabilität ihrer Airbus-Flotten zu erhöhen.Airbus hat seinen Hauptsitz in Toulouse in Frankreich. Der global tätige Konzern besitzt hundertprozentige Tochtergesellschaften in den Vereinigten Staaten, China, Japan, Indien und im Nahen Osten, und Ersatzteilzentren in Hamburg, Frankfurt, Washington, Beijing, Dubai und Singapur. Airbus hat auch Schulungszentren in Toulouse, Miami, Hamburg, Bangalore und Beijing, sowie mehr

als 150 Außendienstbüros in aller Welt. Airbus stützt sich zudem auf die industrielle Zusammenarbeit und Partnerschaften mit wichtigen Unternehmen in aller Welt sowie auf ein Netzwerk von rund 2.000 Zulieferern (allein für die Flugzeugteile) in mehr als 20 Ländern.Als Branchenführer strebt Airbus danach, zu einem öko-effizienten Unternehmen zu werden. So hat Airbus als erstes Unternehmen der Luftfahrtbranche weltweit das Umweltzertifikat nach ISO- Norm 14001 für alle seine Fertigungsstandorte und Produkte über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg erhalten. Airbus will sicherstellen, dass der Luftverkehr eine ökologisch effiziente Trans-portform bleibt und wirtschaftlichen Nutzen mit immer geringeren Umweltfolgen bringt.

Airbu

s


sentliches Argument. Die Anlagentechnik kann durch unsere QM-Module dem Anwender eine In-line-Qualitätskontrolle in Echtzeit bieten. Das Prozess-Mapping ist ein entscheidendes Instrument, um Qualität sicher zu stellen. Da-mit wird „Reverse-Engineering“ möglich. Der Prozess wird somit lückenlos dokumentiert. Bedenken wir auch die Umweltaspekte. Ener-gieaufwand und Ressourcenschonung sind Merkmale des Laserschmelzens. LaserCUSING ist eine „Green Technology“ und verbessert den viel zitierten ökologischen Fußabdruck in der Fertigung.

Claus Emmelmann: In der Regel ergeben sich positive Effekte für die Herstellkosten bei klei-nen bis mittleren Stückzahlen. Die vergleichs-weise hohen relativen Investitionskosten für die Gussformen und eventuell notwendige Werk-zeugkosten entfallen. Darüber hinaus bietet die laseradditive Fertigung eine höhere Gestal-tungsfreiheit, da auch Hinterschnitte und in-nen liegende Kanäle, z. B. Kühlkanäle, gefertigt werden können. Es können bislang unbekann-te Geometrien mit Funktionalitäten verknüpft werden. Leicht unterschiedlich sind außerdem

Demonstration eines Serienbaujobs mit abweichenden QMmeltpool-Signalen: Reduktion der Laserleis-tung (lila Kurve), Abweichungen des Dosierfaktors (blaue Kurve) und Serienbaujob (restliche Kurven – in Rot bzw. Grün)

Frank Herzog: Neben der Ressourcenscho-nung ist die Designfreiheit für die Flugzeugin-genieure wohl sehr attraktiv. Die Bauteildichte wirtschaftlich unter Kontrolle zu halten und die Mikrostrukturqualität zu bestimmen sind wei-tere Aspekte. Ein wesentliches Qualitätsmerk-mal ist ja auch, die Kraftverteilung im Bauteil definieren zu können, was ein konventionelles Teil oft nicht vermag oder es ist deutlich schwe-rer. Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen ein we-

Conc

ept L

aser

GmbH

, Lich

tenfel

s


die Materialeigenschaften. Laseradditiv gefer-tigte Werkstoffe weisen eine höhere Festigkeit bei gleichzeitig geringerer Duktilität auf, die aber durch die richtige Wärmebehandlung auch wieder gesteigert werden kann.

Welche Potenziale bieten 3D-Drucktechniken für den Flugzeugbau und die Flugzeugstrukturelemente?

Peter Sander: Hier sind zwei Bereiche zu be-trachten: Einerseits die Prozessoptimierung und anderseits die Produktauslegung. Prozessopti-mierung bedeutet für uns – wir brauchen keine Guss-, Spritzgieß- oder Vorfertigungswerkzeuge mehr. Wir können direkt aus dem 3D-Konstruk-tionssystem Bauteile drucken. Dies spart uns bis zu 75% Durchlaufzeit und senkt die Einmalauf-wendungen erheblich. Sie können sich vorstel-len, dass das besonders bei kleinen Serien oder sogar Kleinstserien für uns interessant ist. Los-größenbetrachtungen sind im Flugzeugbau es-senzieller als bei Volumenfertigungen, wie man sie aus Automotive und dem Consumer-Bereich kennt. So haben wir beispielsweise bei den ersten Testflugzeugen einige Tonnen von Test-Equipment montiert. Das erfordert Tausende

Die LZN Laser Zentrum Nord GmbH wurde im Jahr 2009 als anwendungsorientiertes Kompetenzzent-rum für Lasertechnologien gegründet. Als eines der modernsten Lasertechnologiezentren der Welt versteht die LZN GmbH sich als Bindeglied zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung und setzt zukunftweisende Impulse für Unternehmen zur nachhaltigen Stärkung ihrer Wettbewerbsfähigkeit. Bei der Optimierung von Produktentwicklungs- und Produktionsprozessen werden unter dem Leitmotiv „Engineering in Light – Photonic Solutions for Re-source Efficient Products“ die Innovationspotenziale für die Produkt- und Prozessentwicklungen mit Qua-litäts-, Kosten- und Zeitvorteilen voll ausgeschöpft.Für die Lasertechnik als Querschnittstechnologie er-geben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in unterschiedlichen Branchen. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der LZN GmbH umfassen da-her den Gesamtprozess bis hin zum fertigen Produkt. Das breite Entwicklungs- und Beratungsangebot be-inhaltet die Zusammenarbeit insbesondere in den folgenden Laserkompetenzfeldern: Robortergestützte Blechbearbeitung (RoLAS), Schiffbau (ShipLAS), Werk-

zeug- und Maschinenbau (ToolLAS), Fertigung von Medizinprodukten (MedLAS), Ver- und Bearbeitung von synthetischen Werkstoffen (SynLAS) und innova-tiver Leichtbau zum Beispiel in der Luftfahrtindustrie (AirLAS). Erweitert wurde das Leistungsangebot im Januar 2014 um den Industriearbeitskreis „Light Al-liance“. Die „Light Alliance“ bietet Unternehmen die Möglichkeit, den Weg zum „Light Engineering“ auf der Basis von repräsentativen Bauteildemonstratoren konkret zu erlernen und zu realisieren und so gemein-sam mit professionellen Partnern aus Industrie und Forschung den Zukunftsmarkt der 3D-Laser-Produkti-onstechnik zu erschließen. Die LZN GmbH ist eng mit dem Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) der Technischen Uni-versität Hamburg-Harburg vernetzt.

Über LZN Laser Zentrum Nord GmbH


len feinste, sogar knochenartige, also poröse Strukturen herstellen können, werden die zu-künftigen Flugzeugteile „bionisch“ aussehen. Die Natur hat Funktions- und Leichtbauprinzi-pien über Millionen von Jahren optimiert und den Ressourceneinsatz clever minimiert. Diese Naturlösungen werden bei uns derzeit struktu-riert untersucht und analysiert hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit. Erste Prototypen zeigen große Potenziale einer solchen Vorgehensweise. Das Verfahren dürfte eine Art Paradigmenwechsel in Konstruktion und Fertigung auslösen.

Frank Herzog: Aus Sicht des Anlagenbauers und Prozessentwicklers erlaubt das Verfahren den Anwendern eine signifikante Steigerung der Pro-duktivität und zahlreiche Optionen zur Automa-tisierung. Auch die Bauteilgröße wurde durch die Qualifikation der 1000W-Lasertechnik deutlich gesteigert. Multipler Lasereinsatz wird zukünftig eine Rolle spielen. Mittels „intelligenten Belich-tungsstrategien“ kann der Laser ein Bauteil gezielt beaufschlagen, sodass es in Struktur, Festigkeit und Oberflächengüte maßgeschneidert werden kann. Qualität und Geschwindigkeit bieten hier deutliche Potenziale für die Flugzeugbauer.

von sogenannten FTI (Flight Test Installations)-Brackets mit Kleinststückzahlen. Ein weiteres, spannendes Thema sind Ersatzteile. Diese kön-nen wir zukünftig verwendungsnah „on de-mand“, dazu noch werkzeugfrei, herstellen, statt überall auf der Welt große Ersatzteillager mit selten gebrauchten Teilen zu finanzieren. Die Kapitalbindung reduziert sich und es ergibt sich eine gewaltige Flexibilität. Nun noch der zwei-te Punkt, die Bauteil- oder Produktauslegung. Da wir durch das Laserschmelzen mit Metal-

QMcoating: Ohne QMcoating kann es zu unzureichender Beschichtung des Layer kommen (die roten Be-reiche weisen auf fehlendes Pul-vermaterial hin); Ansatz dazu: Mit QMcoating wird der Dosierfaktor des Pulvers innerhalb der Toleranz angepasst

Conc

ept L

aser

GmbH

, Lich

tenfel

s


se Phänomene bringen, insbesondere bei Titan, eine erhebliche Reduktion der Dauerfestigkeit mit sich. Gerade diese Kenngröße ist jedoch für hochbelastete Strukturbauteile im Flugzeugbau essenziell. Durch nachgelagerte Oberflächenbe-handlungen, wie z. B. das Mikrostrahlen, sowie eine korrekte Wärmebehandlung kann die Dau-erfestigkeit aber signifikant gesteigert werden. Im Ergebnis werden die Werte von gewalztem Material erreicht, wenn dies erforderlich ist.

Welchen Störgrößen oder Belastungen sind Flugzeuge ausgesetzt?

Peter Sander: Neben grundlegenden statischen Belastungen unterliegen Flugzeuge z. B. extre-men Temperaturschwankungen zwischen Bo-den- und Flugbetrieb. Das wichtigste aber sind Dauerbelastungen, die den betroffenen Bau-teilen das Maximum abfordern. Dazu gehören Starts und Landungen, aber auch der Flugbetrieb mit permanenten Turbulenzen, die am Flügelen-de schon mal zu mehreren Metern Durchbiegung führen können. Kurzum Flugzeuge sind Belastun-gen ausgesetzt, die extrem sein können und die in jedem Falle zu überstehen sind.

Zu den Stichworten Leichtbau und Bionik: Die Gewichtsre-duzierung scheint ein klarer Vorteil zu sein. Wo stößt man an Grenzen der sicherheitsrelevanten Bauteile?

Peter Sander: Generell gibt es im Flugzeugbau keine Kompromisse, denn Sicherheit geht über alles. Erst recht, wenn Sie berücksichtigen, dass unsere Produkte bis zu 30 Jahre am Himmel sind. Verfahrenstechnisch reden wir bei Metallen im Flugzeugbau überwiegend vom Schweißen. Das kennt der Flugzeugbauer von jeher. Aus der Erfahrung wissen wir, wie solche Bauteile zu be-handeln sind, um die hohen Sicherheitsanfor-derungen zu erfüllen. Was wir aber noch lernen müssen ist, die neuen Freiheiten der Geometrie in der Umsetzung als Bauteildesign maximal zu nutzen. Und dazu werden wir in den folgenden Jahren noch viele Strukturtests und Nachweise durchführen müssen. Das Ergebnis, davon bin ich überzeugt, wird ein neuartiges „bionisches Flugzeugdesign“ sein.

Claus Emmelmann: Gegenwärtige Grenzen sind sicherlich durch die Kompromisse bei der Oberflächengüte gegeben. Jene sind allerdings vergleichbar mit denen von Gussbauteilen. Die-Co

ncep

t Las

er Gm

bH, L

ichten

fels


Welche Methoden oder Instrumente verwenden Sie zur Pro-zessüberwachung bzw. Validierung beim LaserCUSING?

Peter Sander: Für uns als Flugzeugbauer ist die Kontrolle während der Aufbauphase des Bau-teils einer der wichtigsten Industrialisierungs-bausteine. „In-line-Process Monitoring“ mit dem QM-Modul QMmeltpool von Concept Laser be-deutet in der Praxis: Auf einer sehr kleinen Flä-che von 1x1 mm² überwacht das System mittels Kamera und Foto-Diode den Prozess. Anschlie-ßend wird der Prozess dokumentiert.

Frank Herzog: Herr Sander weist hier auf einen sehr wichtigen Aspekt hin. Die Module QMmelt-pool, QMcoating, QMpowder und QMlaser sind die wesentlichen Instrumente der aktiven Qua-litätssicherung, während das Bauteil hergestellt wird. Sie messen die Laserleistung, das Schmel-zebad, den Schichtaufbau des Metallpulvers und überwachen bzw. dokumentieren den ge-samten Herstellprozess lückenlos. Ein weiterer Aspekt ist das Arbeiten im geschlossenen Sys-tem, um einen staub- und kontaminationsfreien Prozess zu gewährleisten. Das Entscheidende ist, dass alle Störeinflüsse, die sich auf den Pro-

Claus Emmelmann: Ich möchte hier ergänzen. Flugzeuge sind in der Tat vielfältigen und äu-ßerst komplexen Lastkollektiven ausgesetzt. Für die Auslegung der Haltestrukturen, wie Brackets, sind jedoch zunächst nur statische Lastfälle relevant. Dies erleichtert die Imple-mentierung der noch jungen Technologie in den Flugzeugbau.

QMcoating: Mittels QMcoating kann gegenüber einer manuellen Bedienung bis zu 25% Pulver einge-spart werden (Einsparungspotenzi-al = schraffierte Fläche)

Conc

ept L

aser

GmbH

, Lich

tenfel

s


auf den laufenden Bauprozess Maßstäbe zu set-zen. In unserem neuen Entwicklungszentrum arbeiten derzeit 25 Entwicklungsingenieure im Labor. Sie analysieren die Mikrostrukturen von Bauteilen, prüfen Festigkeiten und Dichtenvertei-lung. Mittels Mikroskopie untersuchen sie, um zu verstehen, was auf der atomaren Ebene passiert. Überhaupt ist die Material- und Werkstoffkompe-tenz eine wesentliche Speerspitze, um den An-wendern Sicherheit zu bieten. Als Pionier dieser Technik konnten wir die Qualität unserer Tech-nologie in den vergangenen 15 Jahren entschei-dend verbessern. Nur so war der Durchbruch in der Luft- und Raumfahrtbranche, aber auch in der Medizintechnik möglich. Anwendungsspezi-fische Zulassungen sind weitere Qualitätsmerk-male, an denen wir strategisch arbeiten.

Verändert der generative Fertigungsansatz die konstruk-tiven Denkweisen im Flugzeugbau? Wenn ja, wie äußert sich dies?

Peter Sander: Augenfällig ist für mich das „Free-dom of design“. Diese konstruktiven Freiheits-grade, bei denen wir im Laser Zentrum Nord um die CAD-Konstruktion die Kraftflüsse im Bauteil

zess negativ auswirken könnten, ausgeschal-tet werden. Wir können von einem geregelten, wiederholgenauen und prozesssicheren Her-stellverfahren sprechen. Unsere Aufgabe als Ma-schinen- und Anlagenbauer ist eine lückenlose Validierung der Anlagen und ihrer Peripherie. Claus Emmelmann: Wir verwenden auf unserer M2-Anlage von Concept Laser die Qualitäts-sicherungssoftware QMmeltpool und QMat-mosphere. Dies ermöglicht uns bereits heute, wichtige Daten wie Laserparameter, Schmelz-poolverhalten, sowie die Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre zu überwachen und zu dokumentieren. Die Störgrößen durch Kon-taminierung werden so ausgeschaltet. Darüber hinaus entwickeln wir in einem Forschungspro-jekt ein eigenes Qualitätssicherungskonzept auf Basis von optischer Kohärenztomografie.

Können Sie die Qualitätssicherungsansätze genauer er-läutern?

Frank Herzog: Unsere Qualitäts-Management-Module, kurz „QM-Module“ genannt, entwickeln wir ständig weiter, um in puncto Aussagegüte, Bedienbarkeit, aber auch in der Einflussnahme Co

ncep

t Las

er Gm

bH, L

ichten

fels


baulösungen führen. Insbesondere für struktu-roptimierte Bauteile, die in der Regel eine hohe Geometriekomplexität aufweisen, ist eine sehr direkte Umsetzung der Form zugunsten eines hohen Leichtbaugrads möglich. Hier waren, be-dingt durch die konventionellen Fertigungsre-striktionen, Kompromisse beim Leichtbaugrad notwendig, die wir nun elegant umgehen kön-nen.

Als logistische und kostenintensive Herausforderung gel-ten die Ersatzteile für zivile Flugzeuge aufgrund ihrer lan-gen Lebenszyklen. Globale Verfügbarkeit, Lagerhaltung, Lebenszyklus und Zeitdruck fordern die Ersatzteilexper-ten. Wie kann eine generative Fertigung diese Situation verbessern?

Peter Sander: Seit Februar 2014 fliegt Air Transat in Montreal mit dem ersten von Airbus gedruck-ten und gelieferten Ersatzteil. Der ehemalige Hersteller des Spritzgußteiles aus einem Cabin Attendant Seat einer A300/310 war nicht mehr verfügbar, die Werkzeuge verschrottet. Die Fra-

sehr genau bestimmen können. Die nächste Generation von Flugzeugingenieuren wird 3D-Druck mit seinen Möglichkeiten genauer verste-hen. Das Denken in Konstruktion und Fertigung verändert sich derzeit. Ich würde auch von ei-nem Paradigmenwechsel, wie Herr Sander es bereits ansprach, sprechen. Bedenken wir auch, wie die Widerstände langsam abgebaut wer-den, wenn das Neue entsteht. Derzeit sind unse-re Fertigungsingenieure im Gießen und Fräsen gut ausgebildet. Da braucht es neue Erkennt-nisse und Erfahrungen. Nicht zuletzt braucht es Überzeugungsarbeit durch praktische Beispiele im Flugzeugbau. Generell ist die Laserschmelz-Technologie in der Lage, sicherheitsrelevante Bauteile zu entwickeln, die noch besser, leichter und langlebiger sind, als die Bauteile von heute.

Claus Emmelmann: Im Rahmen von diversen, bereits erfolgreich mit Airbus absolvierten Pro-jekten, konnte festgestellt werden, dass die Möglichkeiten der laseradditiven Fertigung zu grundsätzlich neuen Denkweisen und Leicht-

prEmiErE: das ErstE 3d-gEdrucktE titan-bautEiL an bord dEs airbus a350 xWb

„Inline Process Monitoring“ mit dem QM-Modul QMmeltpool: Auf einer sehr kleinen Fläche von 1x1 mm² überwacht das System mittels Kamera und Foto-Diode den Pro-zess. Anschließend wird der Prozess dokumentiert.

Conc

ept L

aser

GmbH

, Lich

tenfel

s


von Bauteilen in der Aufnahme von Kräften, der geforderten Langlebigkeit, den hohen Quali-tätsansprüchen und bionischen Konstruktionen treffen die Ingenieure auf zahlreiche Antworten, die der 3D-Druck anbietet.

Claus Emmelmann: Das Potenzial für die Ersatz-teilversorgung im Flugzeugbau schätze ich auch hoch ein. Material- und Lagerhaltungskosten dürften sich enorm verbessern lassen. Ich schät-ze den dezentralen Faktor, den Herr Herzog an-sprach, als den eigentlichen Clou hierbei. Im Falle eines Bauteilversagens kann das Ersatzteil direkt vor Ort gefertigt werden. Dadurch kön-nen Transportwege und vor allem die Lieferzei-ten minimiert werden. Die Revisionszeiten von Flugzeugen können sich verkürzen.

Stichwort Ressourcenschonung und „Grüne Technologie“. Wie sieht das der Flugzeugbauer?

Claus Emmelmann: Das kann ich nur unterstrei-chen. Bei der herkömmlichen zerspanenden Herstellung wird der Rohling aus Plattenmate-rial hergestellt. Das kann im Extremfall zu 95 % recycelbarem Abfall führen. Beim Laserschmel-

gestellung für uns war damals, in neue Werkzeu-ge im Wert von 36.000 US-$ zu investieren oder den 3D-Druck zu nutzen. Wir konnten mit dem Laserschmelzverfahren ohne Werkzeugkosten auf Anhieb kostengünstiger anbieten. In der Konsequenz legen wir uns jetzt nicht mehr hun-derte Teile aufs Lager, sondern werden zukünftig dezentrale Ersatzteil-Druckzellen betreiben und erstmals Kunststoff-Ersatzteile auf Anforderung herstellen. Bei Metallbauteilen wird eine ähnli-che Strategie angestrebt.

Frank Herzog: Das Beispiel von Herrn Sander ist für das Laserschmelzen mit Metallen tatsächlich analog zu sehen. Eine generative Fertigung ist generell durch unterschiedliche Aspekte zu cha-rakterisieren: Sie ist dezentral, zeitnah, schnell in der Umsetzung hin zum fertigen Bauteil. Sie erlaubt geringere Logistik- oder Lagerhaltungs-kosten. Sie ist Ressourcenschonender als kon-ventionelle Fertigungsmethoden und damit eine „Grüne Technologie“. Selbst „Production-on-demand“ wird, wie angesprochen, möglich. Wir müssen uns auch die kleinen Losgrößen im Flugzeugbau vorstellen, die für ein additives Ver-fahren sprechen. Bei den Sicherheitsaspekten Co

ncep

t Las

er Gm

bH, L

ichten

fels


Claus Emmelmann: Da wir bei den additiven Fertigungsverfahren keine speziellen Werk-zeuge oder Halterungen für die Fertigung be-nötigen, können wir das Bauteil direkt aus den 3D-CAD-Daten fertigen. Dieser Zeitfaktor sorgt dafür, dass wir häufig deutlich schneller sein können, als mit konventionellen Fertigungsver-fahren. Bezüglich der Fertigungskosten: Wenn man die reinen Kosten für die Herstellung eines Fräsbauteils mit den Herstellkosten des glei-chen Bauteils durch die laseradditive Fertigung vergleicht, schneiden die additiven Verfahren in der Regel ungünstiger ab. Aber wenn man sei-ne Bauteile umkonstruiert und durch die neuen Designmöglichkeiten verbessert - z. B. indem man sie leichter oder funktional leistungsfähi-ger macht - gibt es bereits heute viele Beispiele, bei denen der Einsatz von additiven Fertigungs-verfahren Kostenvorteile bietet.

Welche Möglichkeiten sehen Sie für Funktionsintegra-tionen, wie etwa Kühlfunktionen, bei Bauteilen der Zu-kunft?

Peter Sander: Ähnlich wie bei den Flugzeugstruk-turen überdenken wir aktuell die gesamten Flug-

zen sind wir quasi endkonturnah, d. h., wir ha-ben nur noch rund 5 % Abfall. Aber selbst dieser Abfall kann nach einem Siebprozess wiederver-wendet werden. Wir sprechen im Flugzeugbau von der „buy to fly ratio“ und da sind 90 % ein fantastischer Wert. Dieser Wert spiegelt sich na-türlich auch in der Energiebilanz wieder.

Welche generellen Veränderungen durch 3D-Strategien sehen Sie beim Flugzeugbau?

Peter Sander: Erste Untersuchungen zeigen die Halbierung der erforderlichen Herstellungsschrit-te, da wir endkonturnahe Rohlinge erhalten. In-teressant sind auch mehrteilige geschweißte Bauteile, die jetzt ohne Schweißvorrichtungen „aus einem Schuss“ hergestellt werden können. Das generative 3D-Drucken eröffnet neue Ge-schwindigkeiten bei der Bauteileentwicklung und im Bauprozess, die die bisherigen Entwicklungs-horizonte massiv verkürzen. Die Kostenstruktur unserer Projekte verändert sich signifikant. Auch bringt der neue Ansatz den Leichtbau ein gutes Stück voran. Und es ergeben sich konstruktiv neue Sichtweisen, die sich in veränderten Geo-metrien zeigen werden.

Ein erheblicher Vorteil der additiven Fertigung – es wird nur so viel Ma-terial für das Werkstück verbraucht, wie man unbedingt benötigt.

Conc

ept L

aser

GmbH

, Lich

tenfel

s


Claus Emmelmann: Die Möglichkeit, ganze Bau-gruppen in einem Stück zu fertigen oder zusätz-liche Funktionen in ein Bauteil zu integrieren, zählt zu den großen Vorteilen der laseradditiven Fertigung. Gerade in Bereichen, in denen wir die geometrische Gestaltungsfreiheit und Mög-lichkeit zur Funktionsintegration nutzen, wird die laseradditive Fertigung daher immer stärker an Bedeutung gewinnen. Allerdings sollte die Konstruktion bereits früh die Optionen der Desi-gnfreiheit berücksichtigen, um sich von konven-tionellen Fertigungsstrategien zu unterscheiden. Hier scheitert es in Konstruktion und Entwicklung gegenwärtig oft am fehlenden Wissen der Inge-nieure und Fertigungsexperten über die Mög-lichkeiten des Fertigungsverfahrens.

Der Flugzeugbau ist durch sehr lange Lebenszyklen, bei vergleichsweisen kleinen Losgrößen geprägt. Welche Aus-wirkungen hat dies auf generative Fertigungsstrategien?

Claus Emmelmann: Die vergleichsweise gerin-gen Stückzahlen im Flugzeugbau spielen der la-seradditiven Fertigung durchaus in die Karten. Bei den additiven Fertigungsverfahren können wir keine Skaleneffekte erzielen, wie das bei

zeugsysteme. Wir stehen quasi vor einem neuen Kontinent der Möglichkeiten und Optionen. Für das vor uns liegende unbekannte Terrain brau-chen wir, wenn Sie so wollen, Landkarten, also Erfahrungswerte und Fertigungsstrategien. Bei konventionellen Verfahren gibt es das alles. Hier betreten wir aber Neuland, allerdings mit faszi-nierenden Möglichkeiten am Horizont. Erste Pro-totypen aus unserer Entwicklungsarbeit zeigen erhebliche Potenziale in den Bereichen Kosten- und Gewichtseinsparung. Funktionsintegration ist dabei eine der möglichen Optionen, die neu sind. Ich bin überzeugt, dass wir ein gutes Stück voran kommen werden, um sicherheitsrelevante Bauteile besser und günstiger zu fertigen.

Frank Herzog: Funktionsintegration und Mehr-wert stehen für das Laserschmelzen. Mehrwert zeigt sich durch bessere Qualität am Bauteil. Die konturnahe Kühlung im Werkzeugbau für Spritzgießen ist so eine Anwendung, die wir in der letzten Dekade auf den Weg brachten. In der Luftfahrt könnten dies gekühlte Elemente für die Elektronik oder hydraulische Komponenten sein. Bei Flugzeugkonstruktionen können zukünftige Bauteile gezielt die Kraftlinien auffangen.Air

bus


Kritiker sagen, dass die Bauraumgrenzen die Möglichkei-ten beschneiden. Befürworter hingegen sagen, dass dies durch klassische Montage- oder Fügetechniken an und für sich keine echte Einschränkung sei. Wie bewerten Sie die-se Diskussion?

Peter Sander: Das wird die Zukunft zeigen. Eins ist jedoch schon jetzt klar für uns. Wir reden über schweißbares Material. Dies eröffnet auch hier die Möglichkeit, verschiedene Bauteile zusam-menzuschweißen. Methoden der Fügetechnik werden hier zum Zuge kommen.

Frank Herzog: Dem möchte ich zustimmen, denn dies ist ein Thema im Fluss. In der Vergan-genheit wurden Bauraumsteigerungen um bis zu 700 % erzielt. Die Laserleistung wurde auf 1000W gesteigert oder die Baurate bei Alumi-nium z. B. um den Faktor 10 bis 15 erweitert, um nur ein paar Kenngrößen zu nennen. Das sind aus meiner Sicht und der von zahlreichen Anwendern gewaltige Fortschritte. Bei sehr großen Bauteilen vermehren sich die prozess-bedingten Eigenspannungen im Teil. Diese Ver-zugsneigung setzt Grenzen. Letztlich setzen nicht die Bauräume die Grenzen, sondern phy-

anderen Fertigungsverfahren der Fall ist. Dies bedeutet konkret: Die Stückkosten ändern sich nur sehr gering mit steigendem Produktionsvo-lumen. Im Umkehrschluss ergibt sich für kon-ventionelle Fertigungsverfahren, wie z. B. dem Druckguss, dass sie bei großen Stückzahlen wirtschaftlicher einzusetzen sind.

Frank Herzog: Das sehe ich auch so. In der Tat ergeben der Losgrößenansatz, aber auch Si-cherheitsaspekte und die Langlebigkeit ein spezielles Anforderungsprofil für den Flug-zeugbau. Hier liegen auch die Stärken des Laserschmelzens: Werkzeuglos, Production-on-demand, schnell, wirtschaftlich, qualitativ hochwertig.

Peter Sander: Wenn wir die beiden Ansätze Qua-lität, ausgedrückt durch die In-line-Prozesskont-rolle, sowie die Geometriefreiheit, ausgedrückt durch eine Loslösung von konturgebenden Hilfen, betrachten, so werden Bauteile des 3D-Drucks mit Metallen für den Einsatz im Flug-zeugbau besser, leichter, schneller verfügbar und vor allem sicherer sein – wohlgemerkt auch mit Vorteilen auf der Kostenseite.Co

ncep

t Las

er Gm

bH, L

ichten

fels


lagen hergestellt werden können. Das wäre die derzeitige Sicht. In der Zukunft kann sich das na-türlich verändern.

Welche generativen Bauteile werden im Flugzeugbau der nächsten Dekade denkbar sein?

Peter Sander: Wenn die Entwicklung weiter so fortschreitet, sehe ich keine technischen Be-schränkungen. Die Entscheidung wird dann letztendlich über die Wirtschaftlichkeit und damit über die industrielle Verfügbarkeit von Metallpulvern und Hochgeschwindigkeitsma-schinen fallen.

Claus Emmelmann: Auch in zehn Jahren werden wir noch keine kompletten Flugzeuge drucken. Doch ich bin sicher, dass sich in Zukunft immer größere und komplexere Bauteile wirtschaftlich mittels laseradditiver Fertigung herstellen las-sen. Möglich wird dies durch die rasante Weiter-entwicklung der Anlagentechnik und der damit verbundenen Produktivitätssteigerung. Große Potenziale sehe ich insbesondere für Struktur-bauteile von Abmessungen bis zu einem Meter, sowie für Bauteile im Triebwerksbereich.

sikalische Grenzen sind auszuloten. Mit einer intelligenten Fügetechnik können die Grenzen erweitert werden. Davon bin ich überzeugt. So können die Montagetechniken eine wich-tige Rolle für große Bauteile, die wirtschaftlich hergestellt werden sollen, spielen. Damit wird es möglich, großvolumige oder extrem lange Bauteile, die über die reine Bauraumgröße von Laserschmelzanlagen hinausreichen, zu entwi-ckeln.

Claus Emmelmann: Generell ist eine Anlagen-entwicklung hin zu größeren Bauräumen zu befürworten. Das Fügen von einzeln gefertig-ten Substrukturen zu größeren Bauteilen ist zwar technisch machbar. Jedoch bedeutet dies für das Gesamtbauteil, die Notwendigkeit der Berücksichtigung zusätzlicher Fertigungsrest-riktionen. Die gestalterischen Freiheiten der la-seradditiven Fertigung werden aus meiner Sicht dadurch eingeschränkt. Wir sollten aber auch beachten, dass die Fertigungskosten im Wesent-lichen durch das Bauteilvolumen bestimmt wer-den. Daher lohnen sich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten derzeit eher kleinere Bauteile, die bereits durch die am Markt verfügbaren An-

KontaktConcept Laser GmbHAn der Zeil 896215 LichtenfelsTelefon: +49 (0) 9571 1679 - 0Internet: www.concept-laser.de

PressekontakteConcept Laser GmbHDaniel Hund, Marketing ManagerTelefon: +49 (0) 9571 1679 - 251E-mail: [email protected]

AIRBUS GmbHKreetslag 1021129 HamburgTelefon: +49 (0) 40 743 - 72336

LZN Laser Zentrum Nord GmbHZeynep Aldogan Am Schleusengraben 1421029 HamburgTelefon: +49 (0) 40 484010 - 810E-mail: [email protected] www.light-alliance-hh.de

thirdDIMENSIONSmagazine

Feldkirchner Straße 1d85599 Parsdorf / MunichFon: +49 89 30789007e-mail: [email protected]/thirddimensions

third DIMENSIONS magazine

Date post:	17-Sep-2018
Category:	Documents
Upload:	vuhuong
View:	212 times
Download:	0 times

SUBMAG – Concept Laser GmbH third · Familie sowie die doppelstöckige A380. Das einzigartige ......

Documents