Verbundprojekt TIRIKA; Teilvorhaben: Ressourceneffiziente und kostenoptimierte additive Fertigung in der Luftfahrt (TIRIKA - Materialise)

Abstract

Das Teilvorhaben im Verbundprojekt „TIRIKA – Technologien und Reparaturverfahren für nachhaltige Luftfahrt in Kreislaufwirtschaft“ zielte darauf ab, innovative Ansätze zur Optimierung der additiven Fertigung (AM) zu entwickeln, um Ressourceneffizienz, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit zu steigern. Dabei wurden digitale und technische Lösungen erforscht, um die additive Fertigung als Schlüsseltechnologie weiterzuentwickeln. Die Projektarbeit gliederte sich in drei zentrale Arbeitspakete: Arbeitspaket 3.1 – Nachhaltige additive Fertigung. Ein Schwerpunkt lag auf der Entwicklung ressourceneffizienter Parameter für die Fertigung von Ti6Al4V-Bauteilen durch pulverbettbasiertes Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl (PBF-LB/M). Die Prozessparameter beschleunigen den Druckprozess um 40 %, erzielen eine hohe Materialdichte und reduzieren nachweislich die CO2-Emissionen. Die Validierung ergab jedoch kleinere Abweichungen bei der Bruchdehnung (9 % statt 10 %). Ergänzend wurden Strategien zur Reduktion von Supportstrukturen sowie Methoden für ein effizientes Post-Processing erarbeitet, darunter automatisierte Verfahren wie Kugelstrahlen, elektrochemische Supportentfernung, sowie das Trockeneisstrahlen. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung der Effizienz und Ressourcenoptimierung. Arbeitspaket 3.3 – Materialkreislauf für die additive Fertigung. Im Rahmen dieses Arbeitspakets wurden Konzepte zur Wiederverwertung von Materialien entwickelt. Besonders hervorzuheben ist die Optimierung der Wiederverwendbarkeit von PA12-Pulver für die SLS-Produktion. Durch ein optimales Mischverhältnis von 80 % recyceltem und 20 % neuem Pulver konnte die Luftfahrtanforderung bis zum vierten Buildzyklus erfüllt werden. Die Erkenntnisse tragen zur Reduzierung von Materialkosten und Abfällen bei und unterstützen die Umsetzung von Kreislaufwirtschaft in der additiven Fertigung. Arbeitspaket 3.4 – Digitaler Kreislaufprozess. Das Ziel war die Entwicklung eines End-to-End-Workflows für die additive Fertigung, der digitale Prozesse nahtlos miteinander verknüpft und eine Automatisierung ermöglicht. Ein neuer Cloudservice zur automatischen Supporterzeugung wurde erfolgreich an die „AM One“-Plattform von Airbus angebunden, sodass eine Buildsimulation ohne manuelle Vorbereitungsschritte möglich ist. Die interaktive Kostenberechnung wurde über ein Plugin in Materialise Magics zur automatischen Erfassung der Bauteilmaße optimiert. Beide Workflows konnten erfolgreich bei Airbus demonstriert werden. Ein Softwareprototyp zur automatischen Bauvorbereitung, der die Bauteilorientierung unter Berücksichtigung der Druckbarkeit optimiert und Supportstrukturen an Kanten und Flächen platziert, wurde entwickelt und in der Metallproduktion der Materialise GmbH evaluiert. Im realen Betrieb konnte der Aufwand um ca. 40 % reduziert werden. Zusätzlich wurden Prädiktionsmodelle zur Schätzung der Dauer von Produktionsschritten (Bauzeit, manuelle Oberflächenbearbeitung) trainiert, die eine effiziente Produktionsplanung und optimierte Angebotserstellung unterstützen. Fazit. Die gesetzten Ziele wurden in AP 3.3 und 3.4 vollständig erreicht, in AP 3.1 konnten nicht alle Anforderungen erfüllt werden. Die Lösungen fördern die Effizienz, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit der additiven Fertigung und tragen zur Etablierung ressourcenschonender und wirtschaftlicher Produktionsmethoden bei. Die Ergebnisse bieten großes Potenzial für die industrielle Anwendung und wurden bereits erfolgreich am Standort Bremen in Produkte überführt (Magics Automation Module) bzw. befinden sich im Ergebnistransfer (Methoden zur automatischen Orientierungsoptimierung und Supporterzeugung). Datei-Upload durch TIB