Additive Fertigung DED-Laser mit Pulver – Komplexe Abgasleitungen für die Raumfahrt „first time right“ herstellen

In der Raumfahrt zählen Antriebskomponenten zu den kritischsten Elementen einer Trägerrakete. Insbesondere die Abgasleitungen müssen hohe Anforderungen an mechanische Festigkeit, thermische Beständigkeit, geometrische Präzision und Werkstoffqualität erfüllen. Traditionell werden sie durch das Fügen gewalzter und geschweißter Bleche hergestellt; diese komplexen Methoden und Prozesse stoßen jedoch hinsichtlich Fertigungszeit, Kosten und Prozessrobustheit an ihre Grenzen.

Im Rahmen des Projekts ENLIGHTEN-ED hat IREPA LASER eine Alternative auf Basis der additiven Fertigung mittels Laser-DED (Direct Energy Deposition) mit Pulver untersucht, um einen stärker integrierten und besser beherrschten Ansatz für die Herstellung dieser großformatigen Bauteile anzubieten.

Abgasleitungen für die Raumfahrt: zwischen geometrischer Komplexität und den Grenzen gefügter Bauweisen

Abgasleitungen für Raumfahrtanwendungen sind großformatige Bauteile, die eine Höhe von etwa 1 m bei mehreren hundert Millimetern Durchmesser erreichen können und veränderliche, komplexe Geometrien aufweisen.

Konventionelle Ansätze beruhen auf:

• dem Walzen von Metallblechen,
• dem Fügen durch Schweißen,
• zahlreichen Nachbearbeitungs- und Prüfschritten.

Diese Methoden bedeuten:

• eine große Anzahl an Fertigungsschritten,
• empfindliche Schweißverbindungen,
• Risiken lokaler Defekte,
• lange Durchlaufzeiten und hohe Kosten,
• eine erhöhte Komplexität bei der Sicherstellung der Wiederholbarkeit.

Darüber hinaus wird die Beherrschung von Verzug und Maßhaltigkeit bei Bauteilen dieser Größe besonders kritisch, vor allem wenn sie starken Temperaturgradienten und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

In diesem Kontext besteht die Herausforderung darin, die Abhängigkeit von Fügeverbindungen zu verringern und zugleich bereits in der Fertigung ein hohes Qualitätsniveau zu gewährleisten.

Hin zu einer stärker integrierten Fertigung dank additiver Fertigung mittels DED-Laser mit Pulver

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat IREPA LASER einen Ansatz auf Basis laserbasierter additiver Fertigungsverfahren (Laser Metal Deposition) umgesetzt, hier konkret das DED-Laserverfahren mit Pulver, das sich besonders für großformatige Metallbauteile eignet.

Das Ziel: stärker integrierte Bauteile in direkter Fertigung herzustellen und dabei den Einsatz von Schweißoperationen zu begrenzen.

Dieser Ansatz beruht auf einer vollständigen Entwicklungskette, die Folgendes umfasst:

• das „Redesign“ des Bauteils unter Berücksichtigung der Besonderheiten des Verfahrens,
• die thermomechanische Simulation, um Spannungen und Verzug vorherzusehen,
• die Festlegung von Auftragsstrategien, die an die verschiedenen Bereiche des Bauteils angepasst sind,
• die Qualifizierung der Parameter an repräsentativen Teilgeometrien,
• die schrittweise Validierung durch Rapid Prototyping verkleinerter Bauteile oder kritischer und empfindlicher Bauteilbereiche
• Maß- und metallurgische Prüfungen,
• eine Wärmebehandlung, die auf die verwendete Legierung (Inconel 625) abgestimmt ist, nach Vorgabe des Endkunden,
• zerstörungsfreie Prüfungen zur Absicherung der Endqualität.

Dieser Ansatz betrachtet die Fertigung nicht als bloße Produktion, sondern als ganzheitlichen Prozess, der von den ersten Schritten an beherrscht wird.

Verzug vorhersehen und die Werkstoffqualität bereits in der Entwicklung absichern

Einer der Schlüsselpunkte des Projekts liegt in der Fähigkeit, den durch die thermischen Zyklen des DED-Laserverfahrens bedingten Verzug vorherzusehen und zu kompensieren.

Werkzeuge zur thermomechanischen Simulation wurden eingesetzt, um:

• Verzugstendenzen vorherzusagen,
• empfindliche Bereiche zu identifizieren,
• Fertigungsstrategien anzupassen,
• Modelle zur geometrischen Kompensation zu entwickeln.

Ergänzend ermöglichte die Qualifizierung an Teilgeometrien, die Prozessparameter fein an die lokalen Variationen des Bauteils anzupassen.

Die Validierung erfolgte auf mehreren Ebenen:

• Prototypen zunächst im verkleinerten Maßstab, dann im Maßstab 1:1,
• Prüfungen per 3D-Scan zur Überprüfung der Geometrie und als Input für Modellierung und numerische Simulation,
• metallurgische Analysen zur Charakterisierung des Werkstoffs,
• zerstörungsfreie Prüfungen zur Erkennung möglicher innerer Defekte.

Eine spezifische Wärmebehandlung, in der Regel vom Endkunden vorgegeben, kann ebenfalls in Betracht gezogen werden, um die bei der Fertigung des Bauteils entstehenden thermomechanischen Spannungen zu beherrschen

Konkrete Validierungen an großformatigen Antriebsbauteilen

Dieser Ansatz ermöglichte es, die Machbarkeit der Fertigung komplexer Abgasleitungen durch additive Fertigung mittels DED-Laser mit Pulver nachzuweisen, mit:

• einer deutlichen Reduzierung der Anzahl an Fügeoperationen,
• einer besseren Funktionsintegration im Bauteil,
• einer Beherrschung des Verzugs dank Simulation,
• einer Validierung der Fertigungsstrategie an repräsentativen Prototypen.

Die im Rahmen von ENLIGHTEN-ED durchgeführten Arbeiten zeigen zudem die Fähigkeit, großformatige Bauteile aus Inconel 625 mit einem strukturierten Ansatz herzustellen, der Konstruktion, Verfahren, Modellierung und Simulation, Metallurgie und Prüfung vereint.

Über die technologische Demonstration hinaus liegt der industrielle Nutzen in der Möglichkeit, direktere, flexiblere und potenziell wettbewerbsfähigere Fertigungsketten für kritische Bauteile ins Auge zu fassen.

Integrierte Expertise zur Begleitung anspruchsvollster industrieller Anwendungen

Diese Art von Entwicklung unterstreicht die Expertise von IREPA LASER beim Einsatz von Laserverfahren für komplexe Anwendungen, wobei alle für die Industrialisierung erforderlichen Dimensionen berücksichtigt werden: Konstruktion, Modellierung und Simulation, Fertigung, Behandlung und Prüfung.

In Branchen wie der Raumfahrt, in denen die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Leistung besonders hoch sind, eröffnet die additive Fertigung mittels DED-Laser mit Pulver neue Perspektiven, um die Konstruktion und Herstellung großformatiger Metallbauteile neu zu denken.

Über die technischen und wirtschaftlichen Vorteile hinaus trägt dieser Ansatz auch dazu bei, die industrielle Beherrschung der Fertigung kritischer Bauteile zu stärken. IREPA LASER leistet damit einen Beitrag zur Stärkung der technologischen Unabhängigkeit und der industriellen Souveränität bei strategischen Bauteilen, indem es beherrschte Lösungen von der Konstruktion bis zur Fertigung für alle Bereiche der Luft- und Raumfahrt bereitstellt.

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Das Projekt ENLIGHTEN-ED wurde im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101135156 aus dem Programm Horizon Europe der Europäischen Union gefördert.