QuSAM - Qualitätssichere Skalierbarkeit des WAAM-Prozesses zur Herstellung von Luftfahrtstrukturkomponenten: Thermomanagement und optimierte Zerspanung

Abstract

Der steigende Einsatz schwer zerspanbarer Werkstoffe in der Luftfahrttechnik (z. B. hochfeste Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V) stellt eine besondere Herausforderung bei der Herstellung großvolumiger Strukturbauteile dar. Die konventionelle Fertigung durch Zerspanung des Vollmaterials führt zu einem geringen Materialausnutzungsgrad und zu hohen Werkzeugkosten aufgrund des hohen Verschleißes. Dies führt zu einer ökologisch und ökonomisch unvorteilhaften Kostenstruktur.

Im Verbundvorhaben QuSAM entwickelte das iwb zusammen mit den Projektbeteiligten Strategien zur qualitätssicheren Skalierbarkeit des WAAM-Prozesses (Wire Arc Additive Manufacturing). Aufbauend auf den Ergebnissen des Projekts REGULUS lag der Fokus auf der Übertragung des Verfahrens auf großvolumige Bauteile sowie auf der Optimierung der anschließenden spanenden Nachbearbeitung.

Das zentrale Element des Lösungsansatzes war die Entwicklung eines quantitativen Thermomanagements. Durch die Kombination aus thermischer Simulation und Modellen der künstlichen Intelligenz konnte der Wärmehaushalt während des additiven Aufbaus präzise gesteuert werden, um homogene Gefüge- und Bauteileigenschaften sicherzustellen. Durch die endkonturnahe Fertigung mittels WAAM wurde der Materialeinsatz im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung um bis zu 90 % reduziert.

Zur Steigerung der Prozesseffizienz wurde eine durchgängige digitale Prozesskette implementiert. Diese vernetzt den additiven Aufbau über einen digitalen Zwilling direkt mit der spanenden Nachbearbeitung. Innovative KI-Verfahren wie ein Grey-Box-Modell zur Prädiktion des Werkzeugverschleißes unter wechselnden Eingriffsverhältnissen sowie eine automatisierte Bahnplanung ermöglichen eine prozesssichere Fertigung komplexer Geometrien. Damit leistet QuSAM einen wesentlichen Beitrag zur Industrialisierung ressourceneffizienter Fertigungsnetzwerke in der Luftfahrt.