Laut SmarTech, einem Beratungsunternehmen für Fertigungstechnologien, ist die Luft- und Raumfahrt nach der Medizin der zweitgrößte Industriezweig, der additive Fertigung (AM) nutzt. Dennoch mangelt es weiterhin an Bewusstsein für das Potenzial der additiven Fertigung von Keramikwerkstoffen für die schnelle Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten sowie für die erhöhte Flexibilität und Kosteneffizienz. AM ermöglicht die schnellere und nachhaltigere Produktion von festeren und leichteren Keramikteilen. Dadurch werden Arbeitskosten gesenkt, die manuelle Montage minimiert und Effizienz und Leistung durch modellbasierte Konstruktionsentwicklung verbessert, was wiederum das Gewicht von Flugzeugen reduziert. Darüber hinaus bietet die additive Fertigungstechnologie für Keramik eine präzise Maßkontrolle der fertigen Teile für Merkmale kleiner als 100 Mikrometer.
Der Begriff Keramik kann jedoch fälschlicherweise die Vorstellung von Sprödigkeit hervorrufen. Tatsächlich lassen sich additiv gefertigte Keramiken jedoch zu leichteren, feineren Bauteilen mit hoher Festigkeit, Zähigkeit und Beständigkeit über einen weiten Temperaturbereich verarbeiten. Zukunftsweisende Unternehmen setzen daher verstärkt auf Keramik für die Fertigung von Komponenten wie Düsen und Propellern, elektrischen Isolatoren und Turbinenschaufeln.
Hochreines Aluminiumoxid zeichnet sich beispielsweise durch hohe Härte, starke Korrosionsbeständigkeit und einen breiten Temperaturbereich aus. Bauteile aus Aluminiumoxid sind zudem bei den in der Luft- und Raumfahrt üblichen hohen Temperaturen elektrisch isolierend.
Zirkonoxidbasierte Keramiken eignen sich für zahlreiche Anwendungen mit extremen Materialanforderungen und hoher mechanischer Beanspruchung, beispielsweise im hochwertigen Metallformteilbau, bei Ventilen und Lagern. Siliziumnitridkeramiken zeichnen sich durch hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit und ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit sowie gute chemische Beständigkeit gegenüber der Korrosion durch verschiedene Säuren, Laugen und geschmolzene Metalle aus. Siliziumnitrid wird für Isolatoren, Laufräder und Hochtemperatur-Antennen mit niedriger Dielektrizitätskonstante verwendet.
Kompositkeramiken bieten zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften. Siliziumbasierte Keramiken mit Aluminiumoxid- und Zirkonzusätzen haben sich bei der Herstellung von Einkristallgussteilen für Turbinenschaufeln bewährt. Der aus diesem Material gefertigte Keramikkern zeichnet sich durch eine sehr geringe Wärmeausdehnung bis 1500 °C, eine hohe Porosität, eine exzellente Oberflächenqualität und eine gute Auslaugbarkeit aus. Durch das Drucken dieser Kerne lassen sich Turbinenkonstruktionen realisieren, die höheren Betriebstemperaturen standhalten und den Wirkungsgrad des Triebwerks steigern.
Es ist bekannt, dass das Spritzgießen oder die spanende Bearbeitung von Keramik sehr schwierig ist und die spanende Bearbeitung nur einen eingeschränkten Zugang zu den herzustellenden Bauteilen bietet. Merkmale wie dünne Wände sind ebenfalls schwer zu bearbeiten.
Lithoz verwendet jedoch die lithographiebasierte Keramikfertigung (LCM), um präzise, ​​komplex geformte 3D-Keramikbauteile herzustellen.
Ausgehend vom CAD-Modell werden die detaillierten Spezifikationen digital an den 3D-Drucker übertragen. Anschließend wird das präzise formulierte Keramikpulver auf die Oberfläche des transparenten Behälters aufgetragen. Die bewegliche Bauplattform wird in die Masse eingetaucht und selektiv von unten mit sichtbarem Licht belichtet. Das Schichtbild wird durch ein digitales Mikrospiegelbauelement (DMD) in Verbindung mit dem Projektionssystem erzeugt. Durch Wiederholung dieses Prozesses entsteht Schicht für Schicht ein dreidimensionales Grünteil. Nach der thermischen Nachbehandlung wird das Bindemittel entfernt und die Grünteile werden durch ein spezielles Heizverfahren gesintert, um ein vollständig dichtes Keramikteil mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Oberflächenqualität zu erhalten.
Die LCM-Technologie bietet ein innovatives, kostengünstiges und schnelleres Verfahren für den Feinguss von Turbinentriebwerkskomponenten – wodurch die teure und aufwendige Formenherstellung, die für das Spritzgießen und das Wachsausschmelzverfahren erforderlich ist, umgangen wird.
Mit LCM lassen sich auch Designs realisieren, die mit anderen Methoden nicht möglich sind, und dabei werden weit weniger Rohstoffe benötigt als bei anderen Methoden.
Trotz des großen Potenzials von Keramikwerkstoffen und der LCM-Technologie besteht immer noch eine Kluft zwischen den Erstausrüstern (OEM) der additiven Fertigung und den Entwicklern in der Luft- und Raumfahrt.
Ein Grund könnte der Widerstand gegen neue Fertigungsmethoden in Branchen mit besonders strengen Sicherheits- und Qualitätsanforderungen sein. Die Luft- und Raumfahrtfertigung erfordert zahlreiche Verifizierungs- und Qualifizierungsprozesse sowie gründliche und strenge Tests.
Ein weiteres Hindernis ist die Annahme, dass 3D-Druck hauptsächlich nur für die einmalige, schnelle Prototypenfertigung geeignet sei und nicht für Anwendungen, die in der Luftfahrt eingesetzt werden könnten. Auch dies ist ein Missverständnis, denn 3D-gedruckte Keramikbauteile haben sich bereits in der Massenproduktion bewährt.
Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung von Turbinenschaufeln. Hierbei werden im additiven Fertigungsverfahren (AM) Einkristallkerne (SX) sowie durch gerichtete Erstarrung (DS) und Guss von gleichachsigen Superlegierungs-Turbinenschaufeln (EX) hergestellt. Kerne mit komplexen Verzweigungsstrukturen, mehreren Wänden und Hinterkanten von weniger als 200 µm lassen sich schnell und wirtschaftlich fertigen. Die fertigen Bauteile weisen eine gleichbleibende Maßgenauigkeit und eine exzellente Oberflächengüte auf.
Eine verbesserte Kommunikation kann Luft- und Raumfahrtkonstrukteure und Hersteller additiver Fertigung zusammenbringen und das volle Vertrauen in keramische Bauteile stärken, die mit LCM und anderen Technologien hergestellt werden. Technologie und Expertise sind vorhanden. Es gilt, die Denkweise zu ändern: von additiver Fertigung für Forschung und Entwicklung sowie Prototypenbau hin zu einem zukunftsweisenden Ansatz für großflächige kommerzielle Anwendungen.
Neben der Ausbildung können Luft- und Raumfahrtunternehmen auch in Personal, Entwicklung und Prüfung investieren. Hersteller müssen mit den unterschiedlichen Normen und Methoden zur Bewertung von Keramik, nicht von Metallen, vertraut sein. Beispielsweise gelten für Lithoz zwei wichtige ASTM-Normen für Strukturkeramik: ASTM C1161 für Festigkeitsprüfungen und ASTM C1421 für Zähigkeitsprüfungen. Diese Normen gelten für Keramik, unabhängig vom Herstellungsverfahren. Bei der additiven Fertigung von Keramik ist der Druckvorgang lediglich ein Formgebungsverfahren; die Teile durchlaufen denselben Sinterprozess wie herkömmliche Keramik. Daher ist die Mikrostruktur von Keramikteilen derjenigen konventionell bearbeiteter Teile sehr ähnlich.
Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Materialien und Technologien können wir mit Sicherheit sagen, dass Konstrukteure über mehr Daten verfügen werden. Neue Keramikwerkstoffe werden entwickelt und an spezifische technische Anforderungen angepasst. Bauteile aus additiv gefertigter Keramik werden das Zertifizierungsverfahren für die Luft- und Raumfahrt erfolgreich durchlaufen. Zudem werden verbesserte Konstruktionswerkzeuge, wie beispielsweise optimierte Modellierungssoftware, zur Verfügung stehen.
Durch die Zusammenarbeit mit LCM-Technikexperten können Luft- und Raumfahrtunternehmen additive Fertigungsverfahren für Keramik intern einführen – was die Produktionszeit verkürzt, Kosten senkt und die Entwicklung eigener Schutzrechte ermöglicht. Mit Weitblick und langfristiger Planung können Unternehmen der Luft- und Raumfahrtbranche, die in Keramiktechnologie investieren, in den nächsten zehn Jahren und darüber hinaus erhebliche Vorteile für ihr gesamtes Produktionsportfolio erzielen.
Durch die Etablierung einer Partnerschaft mit AM Ceramics werden Erstausrüster der Luft- und Raumfahrtindustrie Komponenten herstellen, die zuvor unvorstellbar waren.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Shawn Allan wird auf der Ceramics Expo in Cleveland, Ohio, am 1. September 2021 über die Schwierigkeiten bei der effektiven Kommunikation der Vorteile der additiven Fertigung von Keramik sprechen.
Obwohl die Entwicklung von Hyperschallflugsystemen bereits seit Jahrzehnten existiert, hat sie sich nun zur obersten Priorität der US-amerikanischen Landesverteidigung entwickelt, was diesem Bereich ein rasantes Wachstum und tiefgreifende Veränderungen beschert hat. Als einzigartiges, multidisziplinäres Feld besteht die Herausforderung darin, Experten mit den notwendigen Fähigkeiten für seine Weiterentwicklung zu finden. Fehlen jedoch ausreichend Experten, entsteht eine Innovationslücke. So wird beispielsweise in der Forschungs- und Entwicklungsphase die fertigungsgerechte Konstruktion (Design for Manufacturability, DFM) priorisiert, was später zu einer Fertigungslücke führt, wenn es für kosteneffiziente Änderungen zu spät ist.
Allianzen wie die neu gegründete University Alliance for Applied Hypersonics (UCAH) bieten ein wichtiges Umfeld für die Förderung der Talente, die für den Fortschritt auf diesem Gebiet benötigt werden. Studierende können direkt mit Universitätsforschern und Fachleuten aus der Industrie zusammenarbeiten, um Technologien zu entwickeln und die Hyperschallforschung voranzutreiben.
Obwohl UCAH und andere Verteidigungskonsortien ihren Mitgliedern die Ausübung einer Vielzahl von Ingenieurtätigkeiten gestatteten, muss noch mehr getan werden, um vielfältige und erfahrene Talente zu fördern, von der Konstruktion über die Materialentwicklung und -auswahl bis hin zu Fertigungswerkstätten.
Um einen nachhaltigeren Mehrwert in diesem Bereich zu schaffen, muss die Universitätsallianz der Personalentwicklung Priorität einräumen, indem sie sich an den Bedürfnissen der Industrie orientiert, die Mitglieder in branchenrelevante Forschungsprojekte einbezieht und in das Programm investiert.
Bei der Überführung von Hyperschalltechnologie in großtechnisch realisierbare Projekte stellt der bestehende Fachkräftemangel im Ingenieurwesen und in der Fertigung die größte Herausforderung dar. Gelingt es der frühen Forschung nicht, diese treffend als „Tal des Todes“ bezeichnete Kluft zwischen Forschung und Entwicklung und Fertigung zu überwinden – und viele ambitionierte Projekte sind daran gescheitert –, dann haben wir eine praktikable und realisierbare Lösung verloren.
Die US-amerikanische Fertigungsindustrie kann zwar rasant wachsen, doch die Gefahr, ins Hintertreffen zu geraten, besteht darin, die Zahl der Arbeitskräfte entsprechend zu erhöhen. Daher müssen staatliche und universitäre Entwicklungskonsortien mit den Herstellern zusammenarbeiten, um diese Pläne umzusetzen.
Die Branche verzeichnet einen Fachkräftemangel, von Fertigungswerkstätten bis hin zu Ingenieurlaboren – dieser Mangel wird sich mit dem Wachstum des Hyperschallmarktes noch verschärfen. Neue Technologien erfordern eine neue Generation von Fachkräften, um das Wissen in diesem Bereich zu erweitern.
Die Hyperschallforschung umfasst mehrere Schlüsselbereiche mit unterschiedlichen Materialien und Strukturen, und jeder Bereich birgt seine eigenen technischen Herausforderungen. Sie erfordert detailliertes Fachwissen, und fehlende Expertise kann die Entwicklung und Produktion behindern. Stehen uns nicht genügend Fachkräfte zur Verfügung, um die Forschung und Entwicklung zu gewährleisten, können wir die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitstechnologie nicht decken.
Wir benötigen beispielsweise Fachkräfte, die das Endprodukt herstellen können. UCAH und andere Konsortien sind unerlässlich, um die moderne Fertigung zu fördern und sicherzustellen, dass Studierende, die sich für die Rolle der Fertigung interessieren, eingebunden werden. Durch funktionsübergreifende und gezielte Maßnahmen zur Personalentwicklung wird die Branche in den kommenden Jahren ihren Wettbewerbsvorteil bei Hyperschallflugplänen sichern können.
Mit der Gründung von UCAH schafft das Verteidigungsministerium die Möglichkeit, den Kompetenzaufbau in diesem Bereich gezielter voranzutreiben. Alle Koalitionsmitglieder müssen zusammenarbeiten, um die spezifischen Fähigkeiten der Studierenden zu fördern, damit wir die Forschungsdynamik aufrechterhalten und ausweiten können, um die Ergebnisse zu erzielen, die unser Land benötigt.
Die mittlerweile aufgelöste NASA Advanced Composites Alliance ist ein Beispiel für eine erfolgreiche Maßnahme zur Förderung von Fachkräften. Ihre Effektivität beruht auf der Verknüpfung von Forschung und Entwicklung mit den Interessen der Industrie, wodurch Innovationen im gesamten Entwicklungsökosystem gefördert werden konnten. Branchenführer arbeiteten zwei bis vier Jahre lang direkt mit der NASA und Universitäten an Projekten zusammen. Alle Mitglieder erwarben Fachwissen und Erfahrung, lernten die Zusammenarbeit in einem nicht-wettbewerbsorientierten Umfeld und förderten Studierende, um zukünftige Schlüsselakteure der Branche auszubilden.
Diese Art der Personalentwicklung schließt Lücken in der Branche und bietet kleinen Unternehmen die Möglichkeit, schnell Innovationen zu entwickeln und ihr Geschäftsfeld zu diversifizieren, um weiteres Wachstum zu erzielen – was den nationalen Sicherheits- und Wirtschaftssicherheitsinitiativen der USA förderlich ist.
Universitätsallianzen wie die von UCAH sind wichtige Akteure im Bereich der Hyperschalltechnologie und der Verteidigungsindustrie. Ihre Forschung hat zwar neue Innovationen hervorgebracht, ihr größter Wert liegt jedoch in ihrer Fähigkeit, die nächste Generation von Fachkräften auszubilden. Das Konsortium muss nun Investitionen in solche Programme priorisieren. Dadurch kann es zum langfristigen Erfolg der Hyperschallinnovation beitragen.
About the author: Kim Caldwell leads Spirit AeroSystems’ R&D program as a senior manager of portfolio strategy and collaborative R&D. In her role, Caldwell also manages relationships with defense and government organizations, universities, and original equipment manufacturers to further develop strategic initiatives to develop technologies that drive growth. You can contact her at kimberly.a.caldwell@spiritaero.com.
Hersteller komplexer, hochentwickelter Produkte (wie beispielsweise Flugzeugkomponenten) streben stets nach Perfektion. Da gibt es keinen Spielraum für Abweichungen.
Da die Flugzeugproduktion äußerst komplex ist, müssen die Hersteller den Qualitätsprozess sorgfältig steuern und jedem einzelnen Schritt größte Aufmerksamkeit widmen. Dies erfordert ein tiefgreifendes Verständnis dafür, wie man dynamische Produktions-, Qualitäts-, Sicherheits- und Lieferkettenherausforderungen bewältigt und sich an diese anpasst, während gleichzeitig die regulatorischen Anforderungen erfüllt werden.
Da viele Faktoren die Bereitstellung hochwertiger Produkte beeinflussen, ist die Steuerung komplexer und sich häufig ändernder Produktionsaufträge schwierig. Der Qualitätsprozess muss in allen Bereichen – von der Inspektion und Konstruktion über die Produktion bis hin zur Prüfung – dynamisch sein. Dank Industrie-4.0-Strategien und moderner Fertigungslösungen lassen sich diese Qualitätsherausforderungen heute leichter bewältigen.
Der traditionelle Fokus der Flugzeugproduktion lag stets auf den Materialien. Die meisten Qualitätsprobleme lassen sich auf Sprödbruch, Korrosion, Materialermüdung oder andere Faktoren zurückführen. Die moderne Flugzeugproduktion umfasst jedoch fortschrittliche, hochentwickelte Technologien, die widerstandsfähige Materialien verwenden. Die Produktentwicklung erfordert hochspezialisierte und komplexe Prozesse sowie elektronische Systeme. Herkömmliche Softwarelösungen für das Betriebsmanagement stoßen daher bei extrem komplexen Problemen oft an ihre Grenzen.
Komplexere Bauteile können über die globale Lieferkette bezogen werden, daher muss deren Integration in den Montageprozess verstärkt berücksichtigt werden. Unsicherheit bringt neue Herausforderungen für die Transparenz der Lieferkette und das Qualitätsmanagement mit sich. Die Sicherstellung der Qualität so vieler Bauteile und Fertigprodukte erfordert bessere und stärker integrierte Qualitätsmethoden.
Industrie 4.0 steht für die Weiterentwicklung der Fertigungsindustrie, die zunehmend fortschrittliche Technologien erfordert, um die strengen Qualitätsanforderungen zu erfüllen. Zu den unterstützenden Technologien zählen das industrielle Internet der Dinge (IIoT), digitale Fäden, Augmented Reality (AR) und prädiktive Analysen.
Qualität 4.0 beschreibt eine datengetriebene Methode zur Qualitätssicherung in der Produktion, die Produkte, Prozesse, Planung, Compliance und Standards umfasst. Sie baut auf traditionellen Qualitätsmethoden auf, anstatt diese zu ersetzen, und nutzt viele der gleichen neuen Technologien wie vergleichbare industrielle Verfahren, darunter maschinelles Lernen, vernetzte Geräte, Cloud Computing und digitale Zwillinge. Ziel ist es, die Arbeitsabläufe im Unternehmen zu transformieren und potenzielle Produkt- oder Prozessfehler zu eliminieren. Die Einführung von Qualität 4.0 wird voraussichtlich die Unternehmenskultur weiter verändern, indem sie die Datenorientierung erhöht und Qualität stärker in den gesamten Produktentwicklungsprozess integriert.
Qualitätsmanagement 4.0 integriert operative Aspekte und Qualitätssicherung von Beginn an, bis hin zur Designphase. Dies umfasst die Konzeption und Gestaltung von Produkten. Aktuelle Branchenumfragen zeigen, dass die meisten Märkte keinen automatisierten Designtransferprozess nutzen. Der manuelle Prozess birgt ein Fehlerrisiko, sei es bei internen Fehlern oder bei der Kommunikation von Designänderungen innerhalb der Lieferkette.
Neben dem Design nutzt Quality 4.0 auch prozessorientiertes maschinelles Lernen, um Ausschuss und Nacharbeit zu reduzieren und Produktionsparameter zu optimieren. Darüber hinaus behebt es Probleme mit der Produktleistung nach der Auslieferung, nutzt Feedback vor Ort zur Fernaktualisierung der Produktsoftware, sichert die Kundenzufriedenheit und gewährleistet so Folgeaufträge. Es entwickelt sich zu einem unverzichtbaren Bestandteil von Industrie 4.0.
Qualität beschränkt sich jedoch nicht nur auf ausgewählte Fertigungsbereiche. Der umfassende Ansatz von Qualität 4.0 kann in Fertigungsunternehmen einen ganzheitlichen Qualitätsansatz verankern und die transformative Kraft von Daten zu einem integralen Bestandteil des unternehmerischen Denkens machen. Die Einhaltung von Qualitätsstandards auf allen Unternehmensebenen trägt zur Entwicklung einer umfassenden Qualitätskultur bei.
Kein Produktionsprozess läuft hundertprozentig fehlerfrei ab. Veränderte Bedingungen führen zu unvorhergesehenen Ereignissen, die Gegenmaßnahmen erfordern. Wer Erfahrung im Qualitätsmanagement hat, weiß, dass es ein kontinuierlicher Prozess ist, der auf Perfektion hinarbeitet. Wie stellen Sie sicher, dass Qualität in den Prozess integriert ist, um Probleme so früh wie möglich zu erkennen? Was tun Sie, wenn Sie einen Fehler entdecken? Gibt es externe Faktoren, die dieses Problem verursachen? Welche Änderungen können Sie am Prüfplan oder Testverfahren vornehmen, um ein erneutes Auftreten dieses Problems zu verhindern?
Etablieren Sie die Denkweise, dass jeder Produktionsprozess einen zugehörigen Qualitätsprozess hat. Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der eine direkte Beziehung besteht und die Qualität kontinuierlich gemessen wird. So lässt sich, unabhängig von unvorhergesehenen Ereignissen, perfekte Qualität erreichen. Jedes Arbeitszentrum überprüft täglich Kennzahlen und Leistungsindikatoren (KPIs), um Verbesserungspotenziale frühzeitig zu erkennen und Probleme zu vermeiden.
In diesem geschlossenen Regelsystem verfügt jeder Produktionsprozess über eine Qualitätskennzahl, die Rückmeldungen liefert, um den Prozess zu stoppen, fortzusetzen oder in Echtzeit Anpassungen vorzunehmen. Das System ist unempfindlich gegenüber Ermüdung und menschlichem Versagen. Ein für die Flugzeugproduktion entwickeltes geschlossenes Qualitätssicherungssystem ist unerlässlich, um höhere Qualitätsstandards zu erreichen, Zykluszeiten zu verkürzen und die Einhaltung der AS9100-Normen sicherzustellen.
Vor zehn Jahren war es undenkbar, die Qualitätssicherung auf Produktdesign, Marktforschung, Lieferanten, Kundenservice oder andere Faktoren, die die Kundenzufriedenheit beeinflussen, auszurichten. Produktdesign wurde als Anweisung einer höheren Instanz verstanden; Qualitätssicherung bedeutete die Umsetzung dieser Entwürfe am Fließband, ungeachtet ihrer Mängel.
Viele Unternehmen überdenken heute ihre Geschäftsmodelle. Der Status quo von 2018 ist möglicherweise nicht mehr tragbar. Immer mehr Hersteller agieren intelligenter. Dank des größeren Wissensstands verfügen sie über mehr Expertise, um von Anfang an das richtige Produkt effizienter und leistungsstärker zu entwickeln.