Im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik war der Wettlauf um die Entwicklung von Antriebssystemen, die Fahrzeuge mit Überschallgeschwindigkeit antreiben können, noch nie so intensiv. Hyperschallflüge, definiert als Geschwindigkeiten über Mach 5, sind jetzt in greifbare Nähe gerückt, nicht zuletzt dank der Kombination von 3D-Druck und modernsten Materialien.
In diesem Blog befassen wir uns mit einer fesselnden Fallstudie, in der Velo3D, Lockheed Martin und Vibrant mit dem LIFT Institute des Verteidigungsministeriums zusammenarbeiteten, um einen datengesteuerten Ansatz zur Zertifizierung von Materialien und Methoden zu entwickeln, die für additiv gefertigte Luft- und Raumfahrtsysteme von entscheidender Bedeutung sind.
Vom Beginn des Projekts bis hin zu den komplizierten Details der Materialwissenschaft ebnet diese bemerkenswerte Partnerschaft den Weg für eine neue Ära der Luft- und Raumfahrttechnik.
Die Dringlichkeit des Hyperschallfluges
Die Nachfrage nach Weiterentwicklungen bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, insbesondere in der Verteidigungsindustrie, hat ein Allzeithoch erreicht. Globale Wettbewerber streben danach, Antriebssysteme zu entwickeln, die Flugzeugsysteme mit Überschall- und Hyperschallgeschwindigkeit antreiben können, und läuten damit eine neue Ära der Luft- und Raumfahrttechnologie ein. Dieses Unterfangen hat die Tür zu innovativen Herstellungsmethoden geöffnet.
An der Spitze dieser technologischen Revolution steht der 3D-Druck.
3D-Druck: Transformation der Luft- und Raumfahrtfertigung
Der 3D-Druck hat sich zu einer transformativen Technologie in der Luft- und Raumfahrtfertigung entwickelt. Es bietet die Möglichkeit, komplizierte, einteilige Motorkonstruktionen zu erstellen, die im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht nur leichter, sondern auch schneller herzustellen sind.
Darüber hinaus entwickelt sich die Materialentwicklung parallel zum 3D-Druck weiter, wobei der Schwerpunkt auf der Zertifizierung von Hochleistungsmetalllegierungen liegt, die speziell auf additive Fertigungssysteme (AM) zugeschnitten sind.
Die Rolle des US-Verteidigungsministeriums
Während Prototyping für die Erreichung der Ziele in der Luft- und Raumfahrt nach wie vor von entscheidender Bedeutung ist, hat das US-Verteidigungsministerium (DoD) einen umfassenden AM-Ansatz verfolgt, der mit einem tiefen Einblick in die Materialwissenschaft und Fertigung beginnt.
Zu diesem Zweck ist das Verteidigungsministerium eine Partnerschaft mit LIFT eingegangen, einer gemeinnützigen öffentlich-privaten Zusammenarbeit mit Sitz in Detroit, Michigan. LIFT ist ein wichtiger Akteur im American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute und steht an der Spitze der Technologieentwicklung von der Forschung bis zur Kommerzialisierung.
LIFT: Ein Leuchtturm der Innovation
LIFT gilt als beispielhaftes Modell einer öffentlich-privaten Partnerschaft, das die Interessen des Verteidigungsministeriums, der Industrie und der Wissenschaft verbindet. LIFT ist in einer riesigen Anlage mit einer Fläche von 100,000 Quadratmetern tätig und widmet sich der Skalierung neuer Technologien in kommerzielle Anwendungen. Unter seinen unzähligen Projekten nimmt die „Hypersonics Challenge“, die vom Manufacturing Technology Program des Verteidigungsministeriums finanziert wird, einen herausragenden Platz ein. Ziel der Herausforderung ist es, Materialien und Herstellungsprozesse zu ermitteln, die effizient zu hyperschallflugfähigen Fahrzeugen und Raketen führen können.
Der technische Direktor von LIFT, Dr. John Keogh, spielt bei diesem Unterfangen eine entscheidende Rolle, zusammen mit Dr. Amberlee Haselhuhn, Direktorin für Materialien und ICME.
John Keogh, technischer Leiter, und Projektmanager Brad Friend halten einen Schnittausschnitt des 3D-gedruckten Staustrahltriebwerks LIFT Hypersonic Challenge. Das Projekt konzentrierte sich auf die 100,000 Quadratmeter große Anlage des American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute in Detroit, Michigan. Bild mit freundlicher Genehmigung von LIFT.
3D-Druck nimmt Fahrt auf: Das Ramjet-Projekt
In einer bahnbrechenden Initiative haben LIFT, Lockheed Martin und Vibrant ihre Kräfte gebündelt, um sich auf die Reise zu begeben, um ein zu schaffen 3D-gedrucktes Staustrahltriebwerk. Das Hauptziel des Projekts bestand darin, herauszufinden, welche Daten während des Laser-Pulver-Bett-Fusion-Druckprozesses (LPBF) gesammelt werden können und wie diese Daten zur Zertifizierung von Komponenten für den Hyperschallflug verwendet werden können. Dieser Ansatz markierte eine Abkehr von herkömmlichen statistischen Methoden der Teilevalidierung und konzentrierte sich stattdessen auf Echtzeit-Datenströme für die Zertifizierung.
Das für das Staustrahlprojekt ausgewählte LPBF-System war Velo3D Sapphire 1 MZ, bekannt für seine Fähigkeit, Objekte mit einer Höhe von bis zu einem Meter zu drucken.
Dieses Video zeigt 15,247 Schichten Inconel® 718, gedruckt auf a Velo3D Sapphire 1MZ-Drucker in nur 26 Sekunden als solides Stück ohne Stützen, konzipiert für kleine Flugzeuge, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen.
. Sapphire Das System ist mit Hunderten von Sensoren ausgestattet, die während des Druckvorgangs umfassende Echtzeitdaten liefern. Die Technologie von Velo3D sammelt nicht nur riesige Datenmengen, sondern verfügt auch über einen beeindruckenden Bauraum, der sich ideal für die Massenfertigung eignet.
Von der Unterrichtsaufgabe zum Durchbruch in der Luft- und Raumfahrt
Der Ursprung des Staustrahltriebwerks ist ein Beweis für den Innovationsgeist, der die Luft- und Raumfahrttechnik antreibt. Das Staustrahltriebwerk wurde als Unterrichtsaufgabe von einem Studenten der Luft- und Raumfahrttechnik an der Purdue University konzipiert und zielte darauf ab, komplexe Triebwerkskomponenten in einer einzigen 3D-gedruckten Struktur zusammenzufassen.
Jay Blakes Entwurf sah vor, die Einlassspitze eines Staustrahltriebwerks in einen Turbostrahltriebwerk zu integrieren und als Wärmetauscher zu fungieren, um die Effizienz der Kraftstoffverbrennung zu verbessern. Sein Hausaufgabenprojekt wurde vom J-58-Turbostrahltriebwerk der SR-71 Blackbird inspiriert (die im September 2023 immer noch den Rekord von 1976 als schnellstes – Mach 3.2 – luftatmendes bemanntes Überschallflugzeug hält). Jahre später tauchte dieser Entwurf wieder auf, als Blake begann, für Velo3D zu arbeiten, und führte zu der Erkenntnis, dass seine Vision Wirklichkeit werden könnte.
Schöpfer trifft auf Schöpfung: Der ehemalige Ingenieurstudent Jay Blake, jetzt im Team für Luft- und Raumfahrtanwendungen bei Velo3D, reinigt das Staustrahltriebwerk nach dem 3D-Druck. Das ursprüngliche Design entwickelte er im Rahmen einer Bachelor-Studienaufgabe. Bild mit freundlicher Genehmigung von Velo3D
Lockheed Martins Interesse und Anpassung
Lockheed Martin, ein bekannter Luft- und Raumfahrthersteller und Velo3D-Kunde, zeigte großes Interesse an dem 3D-gedruckten Staustrahltriebwerksprojekt.
Die innovative Technologie von North Star Imaging hilft dabei, interne Geometrien in einem Teil zu validieren, ohne dieses Teil zu zerstören. Ihre 3D-Computertomographie (CT)-Röntgeninspektionsdienste nutzen modernste Röntgeninspektionstechnologie, um ein klarstes Bild eines Teils von innen und außen zu liefern und Bewertungsfehler praktisch auszuschließen. Bei den hier gezeigten Scans handelt es sich um Feststoffoberflächen-, Scheiben- und Innenoberflächenscans.
Lockheed Martin arbeitete mit Velo3D und LIFT zusammen, um das Team bei der Erforschung des Entwicklungsstadiums von Metall-AM für bestimmte Anwendungen sowie der Genauigkeit der für diesen Zweck verwendeten Materialien zu unterstützen. Blakes Design, frei von ITAR-kontrollierter Geometrie, diente als ideales Beispiel für AM. Dies ermöglichte eine umfassende Bewertung der Metallurgie, Struktur und des 3D-Druckprozesses ohne die Einschränkungen von ITAR und Exportkontrolle.
Während der ursprüngliche Entwurf für Überschalltriebwerke gedacht war, erkannte Lockheed Martin das Potenzial für eine Anpassung an ein Scramjet-Triebwerk, das Hyperschallgeschwindigkeiten erreichen kann. Diese Zusammenarbeit bereitete den Grundstein für die Bewertung der Reife von Metall-AM für geschäftskritische Anwendungen und die Prüfung der Materialtreue.
Qualitätssicherung durch Resonanzprüfung
Um die Qualität und Integrität der 3D-gedruckten Staustrahltriebwerkskomponenten zu beurteilen, verwendete das Team Process-Compensated Resonance Testing (PCRT) von Vibrant. PCRT nutzt Ultraschallfrequenzen, um die Schwingungsmodi eines Teils anzuregen und zeichnet einzigartige Resonanzfrequenzen basierend auf Geometrie und Materialeigenschaften auf. Dieser zerstörungsfreie Ansatz erwies sich bei der Identifizierung interner Risse, Porosität und Oberflächenfehler als wirksam und lieferte wertvolle Einblicke in die Komponentenqualität.
Datengesteuerte Zertifizierung und Zukunftsaussichten
Der Erfolg des Ramjet-Projekts läutet eine neue Ära in der Zertifizierung der additiven Fertigung ein. Die während des Druckprozesses gesammelten Daten dienen als objektive Darstellung der Teilequalität und ebnen den Weg für Vorhersagemodelle, die Post-Build-Daten mit Datenströmen verknüpfen.
Es wird erwartet, dass Techniken des maschinellen Lernens und der Datenfusion eine entscheidende Rolle bei der Erkennung von Qualitätsmerkmalen spielen und effizientere Zertifizierungsprozesse ermöglichen. Wenn das Projekt in die nächste Phase eintritt, wird das Ermüdungsverhalten im Mittelpunkt stehen, mit dem ultimativen Ziel, „geboren zertifizierte“ Hyperschallkomponenten herzustellen.
Ein Weg zu „geboren zertifizierten“ Hyperschallkomponenten
Die Zusammenarbeit zwischen Velo3D, Lockheed Martin und Vibrant am LIFT Institute gilt als Leuchtturm der Innovation in der Luft- und Raumfahrttechnik. Durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit des 3D-Drucks, der datengesteuerten Zertifizierung und modernster Materialien erweitert diese Partnerschaft die Grenzen dessen, was im Hyperschallflug möglich ist.
Mit Blick auf die Zukunft signalisieren die Aussicht auf „Born-Certified“-Komponenten und die fortgesetzte Einbindung von Bachelor-Talenten eine rosige Zukunft für die Luft- und Raumfahrttechnik.
Mit dem Himmel als Grenze können wir noch größere Durchbrüche am Horizont erwarten.
