Argumente für eine AM-Alternative: Was alt ist, ist wieder neu

Im Jahr 2018 machte der Luft- und Raumfahrtriese Lockheed Martin Corp. Schlagzeilen mit der Ankündigung, dass er einen Hochdruckkraftstofftank mit einem Durchmesser von 46 Zoll (1,16 m) fertiggestellt habe, der aus zwei 3D-gedruckten, kuppelförmigen Endkappen besteht, die an ein traditionell hergestelltes Rohr geschweißt sind Schiff, komplett aus Titan. Die Entscheidung, die Kuppeln zu drucken, verkürzte Berichten zufolge die Lieferzeit von zwei Jahren auf nur drei Monate.

Lockheed ist bei weitem nicht allein. Launcher Inc. druckt routinemäßig Tanks, Brennkammern und andere Raketenkomponenten, einige davon aus einer proprietären Kupfer-, Chrom- und Zirkoniumlegierung. SpaceX druckt Teile aus ähnlich anspruchsvollen Materialien für sein Raptor-Triebwerk in 3D, während NASA, Rocket Lab, Orbex und Ursa Major die additive Metallfertigung (AM) nutzen, um alles von Nasenkegeln bis hin zu Triebwerksdüsen herzustellen. Diesen März übertraf Relativity Space alle, indem es die erste vollständig 3D-gedruckte Rakete ins All schickte.

Alle nennen niedrigere Herstellungskosten, eine geringere Teileanzahl und die Fähigkeit zur schnellen Iteration als Hauptgründe für ihre Entscheidung, AM einzusetzen. Die Technologie existierte noch nicht, als die Vereinigten Staaten ihr erstes Space Shuttle starteten, und bei der letzten Mission wurde sie gerade erst zum Mainstream.

Es scheint, dass die Luft- und Raumfahrtindustrie (neben anderen) völlig verrückt nach Metall-AM ist. Und das aus gutem Grund. Mit minimalen Werkzeuginvestitionen und praktisch unbegrenzter Gestaltungsfreiheit erweist sich dieser relative Neuling in der Fertigungsindustrie als beeindruckende und flexible Alternative zu herkömmlichen Verfahren wie Bearbeitung, Gießen und Metallspritzguss.

Aber es ist nicht das einzige Fertigungsspiel in der Stadt. Weit davon entfernt. Tatsächlich behaupte ich, dass, wenn Lockheed Martin ein anderes, weitaus ausgereifteres Verfahren verwendet hätte, die Komponenten bessere metallurgische Eigenschaften gehabt hätten als diejenigen, die mit dem 3D-Druck erzielt wurden, und dass für die Endmontage eine Schweißverbindung weniger erforderlich gewesen wäre. Bei diesem alternativen Ansatz wäre zwar ein gewisser Werkzeugaufwand und eine längere Vorlaufzeit für die Prozessentwicklung entstanden, beides wäre jedoch minimal.

Was ist dieser Wunderprozess? Manche kennen es vielleicht als „Spinnen“, eine Metallbearbeitungstechnik, die vor Tausenden von Jahren von den alten Ägyptern angewendet wurde. Damals wurde eine Metallscheibe über einen rotierenden Holzdorn gelegt und mit einem „Paddel“ oder einem ähnlich stumpfen Werkzeug Druck ausgeübt, wodurch das Werkstück nach und nach gezwungen wurde, die Form des Dorns anzunehmen. Das Ergebnis waren, zumindest damals, starke, einheitlich geformte Schalen, Vasen und Ziergegenstände.

Dieser grundlegende Prozess wird immer noch verwendet, obwohl das fortgeschrittene Spinnen, wie alles andere in der Fertigung, heute auf computergesteuerten Geräten durchgeführt wird. Und obwohl in vielen Fällen immer noch Dorne verwendet werden, bestehen sie heute aus Stahl, der auf einer CNC-Drehmaschine bearbeitet wurde. Es ist auch möglich, auf den Dorn zu verzichten, indem man stattdessen die Innen- und Außenflächen selbst sehr komplexer Geometrien mit einer Reihe gehärteter Stahlwalzen nachzeichnet – ähnlich wie man mit den Fingern und einer Töpferscheibe aus einem Tonklumpen eine schöne Vase formt.

In Verbindung mit präziser Wärmeanwendung, elektronischer Kraftüberwachung und fortschrittlicher CAM-Software lautet der genauere Begriff für eine mittlerweile sehr ausgereifte, gut vorhersehbare Metallbearbeitungstechnologie einfach: Fließformen, auch bekannt als Drehen oder Drückwalzen.

Es gibt viele Geschmacksrichtungen. Kegeldrückformen, Scherformen, Scherdrücken, Rohrdrückformen, Schmiededrückformen – dies sind einige der Begriffe, die zur Unterscheidung der Techniken zum „Fließen“ einer Blechscheibe, einer brenngeschnittenen Platte oder eines geschmiedeten Rohlings verwendet werden in ein zylindrisches, hohles, typischerweise dünnwandiges Objekt mit einer Größe von etwa einem Zoll Durchmesser bis zu mehreren Metern in jede Richtung, eines mit hoher Maßgenauigkeit, ausgezeichneter Oberflächenqualität und robusten mechanischen Eigenschaften.

Es gibt viele Techniken und viele Namen, aber vorerst fassen wir sie alle unter dem Oberbegriff „Advanced Metal Forming“ zusammen. Es handelt sich um ein spanloses und schnelles Verfahren zur Herstellung aller Arten von Rohren, Kegeln, Auskleidungen, Zylindern und vielem mehr – viele davon an einem Ende geschlossen – aus einer Vielzahl von Materialien, die jeweils die beschriebenen Eigenschaften aufweisen und schnell und einfach geliefert werden kostengünstig.

Was sind das für Materialien? Die alten Ägypter hielten an Kupfer wegen seiner hervorragenden Formbarkeit fest, und obwohl es auch heute noch ein gängiges Werkstückmaterial ist, sind seitdem Aluminium, rostfreie 300er- und PH-Stähle, Superlegierungen auf Nickelbasis, Maraging-Stähle und sogar härtbare Metalle wie Werkzeuge hinzugekommen Stähle. Die eingangs erwähnten Treibstofftanks aus Titan sind sehr fließformbar, ebenso wie die verschiedenen Raketenkomponenten aus exotischen Kupfer-Chrom-Legierungen, die derzeit irgendwo auf einer Startrampe liegen.

Metal AM ist eine ausgezeichnete Wahl für viele raumgebundene Komponenten. Ja, die Pulver- und Drahtrohstoffe sind relativ teuer, aber dieses unglückliche Detail wird durch die Tatsache ausgeglichen, dass bei jedem Druckverfahren nur wenig Abfall anfällt. In der Regel ist eine maschinelle Bearbeitung erforderlich, was einen Teil der „unbegrenzten“ Designfreiheit von AM einschränkt, wenn auch weitaus geringer, als wenn Teile aus Knüppel- oder Gussmaterial hergestellt würden. Und da die meisten Vorrichtungen, Schneidwerkzeuge und mehrere Vorgänge entfallen, ist Metall-AM sowohl schneller als auch kostengünstiger als herkömmliche Fertigungsverfahren.

Das bringt uns zurück zum Kommentar „gefälschter Rohling“. Die metallurgischen Eigenschaften jedes durch Laser-Pulverbettschmelzen oder DED hergestellten Teils ähneln denen eines geschweißten oder feingegossenen Teils. AM unterliegt außerdem Hohlräumen, Verwerfungen und Schichtungseffekten, weshalb für die Zertifizierung typischerweise kostspielige CT-Scans erforderlich sind, insbesondere bei flugkritischen Komponenten.

Aus diesem Grund sollten sich Luft- und Raumfahrthersteller intensiv mit der fortschrittlichen Metallumformung befassen. Im Vergleich zu gegossenen und geschweißten Teilen führt es zu einer besseren Kornausrichtung und -dichte, insbesondere wenn der Prozess mit einem Werkstückrohling beginnt, der rotationsgeschmiedet wurde. Ohne hier auf die Details einzugehen, sagen wir, dass die resultierenden Teile stärker und langlebiger sind als die Alternativen – 3D-gedruckt und anders – und sich ideal für Kuppeln, Nasenkegel, Treibstofftanks, Brennkammern und ähnliche axialsymmetrische Raketenkomponenten eignen.

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