Es sind die komplexen und sich ändernden Umstände, mit denen Erstausrüster (OEM), Leasinggeber und Wartungs-, Reparatur- und Überholungsunternehmen (MRO) in der Luft- und Raumfahrt derzeit konfrontiert sind. Advanced Additive Manufacturing (AM) steht kurz davor, MRO in der Luft- und Raumfahrt über die gesamte Lieferkette hinweg zu demokratisieren und die Kosten für Teile zu senken, die in kürzerer Zeit geliefert werden.
Metallpulver für die additive Fertigung
Herausforderungen für MRO
Das MRO-Multi-Source-Geschäftsumfeld umfasst Flugzeug-OEMs und engagierte große und kleine Zulieferer. Die meisten Firmen wollen größere Rollen und höhere Margen, die der Teileersatz derzeit bietet. Die Herausforderung besteht darin, hohe Kosten, geringe Mengen und lähmende Lieferpläne am besten zu lösen.
Das Ersetzen verschlissener Werkzeuge für Gussteile von Laufschaufeln, Statoren, Gehäusen und anderen Triebwerkskomponenten ist problematisch. Werkzeuge können Zehn- bis Hunderttausende von Dollar kosten; Ein langwieriger und anspruchsvoller Prozess, der Tausende von Teiletypen für kostspielige Lagerhaltung, Produktzyklen von 20 bis 50 Jahren oder für Teileserien von nur einem bis 10 Komponenten gleichzeitig umfasst.
Gießen ist eine kapitalintensive Technologie, die unflexibel für Designänderungen mit langen Vorlaufzeiten ist, die hohe Lagerbestände zur Stabilisierung der Lieferkette erzwingen. Commodity Additive Manufacturing (AM) hat seine eigenen Probleme: Kalibrierung von Maschinen für die Serienproduktion, Erzielung messbarer Qualität, günstige Ausbeuten, akzeptable Kosten pro Teil und angemessene Durchlaufzeiten durch Nachbearbeitung. Aber große MRO-Hersteller, die Standard-AM verwenden, verfügen über die Ressourcen, um eine Zertifizierung zu erhalten, um bestimmte, begrenzte, flugtaugliche Teile herzustellen, was sie manchmal Millionen von Dollar kostet.
Um die Nachfrage nach Luft- und Raumfahrtteilen aufzuholen und die Engpässe von Standard-AM zu vermeiden, sind fortschrittliche AM-Systeme erforderlich. Kräfte und Ereignisse stimmen überein, um AM für kleine und große OEMs und MROs zu demokratisieren und die On-Demand-Produktion von Teilen schnell, kostengünstig und fast so vorhersehbar wie die CNC-Bearbeitung zu machen.
Änderungen in der AM-Prozesszertifizierung
Die größten Unternehmen in der Herstellung von Verkehrsflugzeugen haben interne Materialspezifikationen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, AM-Teile herzustellen, die für den Flug zugelassen sind. Für diese Early Adopters, die viel Geld für AM-Charakterisierung und -Tests ausgegeben haben, erlaubt FAA 14 CFR 21.1 Inhabern von Flugzeugzellen- und Triebwerksmusterzertifikaten, den Markt zu bedienen.
Für andere im MRO-Bereich waren nur wenige oder keine von der FAA anerkannten Spezifikationen oder zulässigen Werte verfügbar. Der MRO-Markt ist auf erhebliche Herausforderungen bei der Zertifizierung gestoßen, die den weit verbreiteten Einsatz von AM zurückhalten.
Der Zugriff auf einen robusten, standardisierten Datensatz, MMPDS Volume 2 für Additive Materials, wird MROs in die Lage versetzen, AM einzuführen, ohne zu extremen Einzelanstrengungen zu gehen, die viel Zeit und Kosten erfordern. Metallic Materials Properties Development & Standardization (MMPDS) ist eine Branchenquelle für Design Allowables, die von FAA, DOD und NASA anerkannt sind. Es verweist auf eine Materialspezifikation, typischerweise AMS (Aerospace Material Standards), die für Teile und Reparaturen verwendet werden kann.
Abweichungen in der Schichthöhe erkennen. Qualitätssicherungsfunktionen in AM-Systemen der nächsten Generation verfolgen, ob ein Build Anzeichen unerwünschter Vorsprünge aufweist; das Überschreiten der Warnschwelle wird den Benutzer warnen.
Direkter Teileaustausch
Der dringendste MRO-Bedarf besteht in der Herstellung von Duplikaten von Leitschaufeln, Lagergehäusen und anderen Schlüsselkomponenten, um bestehende Flugzeuge am Laufen zu halten. Während AM für seine außergewöhnlichen Möglichkeiten zur Teilekonsolidierung und Konstruktion auf leerem Blatt bekannt ist, eignet es sich auch für die Wirtschaftlichkeit des direkten (exakten) Teileaustauschs. Während schrittweise Erhöhungen der Gießkapazität mehrere zehn Millionen Dollar kosten können, kostet die Teileproduktion mit AM zwischen 1 und 2 Millionen Dollar pro Maschine. Außerdem ist AM flexibel in Bezug auf die Produktionsvolumen und die endlosen Arten von Geometrien, die von jeder Maschine gedruckt werden können, im Gegensatz zum Gießprozess. AM kann das gleiche Teil auch mit besseren zugfesten Materialqualitäten und höherer Dichte als Gussteile herstellen.
Eine Reihe von AM-Maschinen kann volle Produktionsmengen eines identischen Teilestroms bewältigen und dann auf eine für MRO geeignete Bestandserfüllung nahezu bedarfsgerecht umschalten. Oder sie können Design-to-Manufacture-Konzepte für zukünftige Produkte prototypisieren. Diese kostengünstigere, flexible AM-Alternative kann mit dem bestehenden Guss- und Bearbeitungsportfolio eines Herstellers kombiniert werden, um die Dynamik der Lieferkette zu verbessern. Schneller, besser, agiler und günstiger.
Metalladditive Fertigung mit Dual-Laser
Erweiterte AM-Leistung
Sowohl Casting als auch herkömmliches AM haben Grenzen. Aktuelle Richtlinien für AM-Material fördern Veränderungen und beschleunigen wahrscheinlich Investitionen in neuere MRO-AM-Lösungen. Advanced AM bietet bereits Automatisierung, Qualitäts- und Prozessüberwachung, berührungslose Recoater-Klingen, kontrollierte Atmosphären und Software zur Markterschließung.
Ingenieure untersuchen einen Titan-Kraftstofftank, der auf einem additiven Velo3D-Fertigungssystem ohne interne Stützen gedruckt wurde. Solche Tanks/Druckbehälter sind für den Einsatz in Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen ausgelegt.
Die Analyse der Atmosphärenzusammensetzung ist entscheidend für das Erreichen von Qualitätsstandards in der Luft- und Raumfahrt. Wenn Hersteller Metallteile in einer weniger als perfekten Baukammerumgebung bei hohen Temperaturen drucken, können beim Erstarren unerwünschte Atome oder Moleküle aus der Atmosphäre in das Material eingebaut werden. Überschüssiger Sauerstoff in der Kammer kann zu Oxidation und Porosität führen. Wasserstoff kann mit dem fertigen Metall reagieren und es verspröden. Geringe Feuchtigkeitsmengen werden unter dem Laser ionisiert, was möglicherweise die Teilequalität beeinträchtigt. Die besten AM-Entwickler haben Strategien zur Atmosphärenkontrolle aus der Mikrochipindustrie übernommen, um Qualität und Designfreiheit zu gewährleisten.
Die richtige Pulverbetthöhe ist entscheidend, um sicherzustellen, dass AM Luft- und Raumfahrtteile herstellen kann, die zuvor gegossen wurden. Während eines Aufbaus ist es wichtig, dass die richtige Pulverbetthöhe ohne Grate, Wellen oder Abweichungen beibehalten wird. Das Pulverbett ist das Ausgangsmaterial im Schweißprozess, und konsistentes Ausgangsmaterial ist entscheidend für die Qualität. Bei Massen-AM stellen Vorsprünge aus massivem Metall im Pulverbett das häufigste Problem dar, da die Blätter als Scheibenwischer arbeiten. AM-Systeme der nächsten Generation bieten einen berührungslosen Recoater-Arm und integrierte Messtechnik, sodass die Topologie des Pulverbetts ständig quantitativ gemessen und auf Inkonsistenzen überwacht wird. Dies ist ein weiteres Beispiel, bei dem AM die Prozesskontrolle herkömmlicher Fertigungsprozesse übertrifft.
Die Optionen zur Bewältigung der miteinander verflochtenen Fertigungs- und wirtschaftlichen Herausforderungen, mit denen Luft- und Raumfahrt-OEMs und MRO-Ersatzteile konfrontiert sind, werden immer umfangreicher. Frust über langsame Fortschritte in AM ist nicht mehr gerechtfertigt. Auftragshersteller in der Luft- und Raumfahrt mit fortschrittlicher AM sind bereit, Ersatzteile bei Bedarf in geringer Stückzahl und zu geringeren Kosten in gleicher oder besserer Qualität als gegossene Originale herzustellen.
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