SPAAM

Projektbeschreibung

Die Herstellung komplexer Strukturen für die Raumfahrt erfordert innovative Fertigungstechnologien, welche eine genaue, zuverlässige sowie reproduzierbare Erzeugung im industriellen Umfeld ermöglichen. Traditionelle Verfahren, wie zum Beispiel das Schmieden, erfüllen diese Anforderungen, führen jedoch zu hohen Stückkosten, welche, bedingt durch die geringen Stückzahlen im Raumfahrtbereich, wirtschaftlich schwierig umsetzbar sind. Eine vergleichsweise moderne Alternative stellt hierbei die additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) dar, wobei die Struktur durch generative Herstellung aufgebaut wird. Für das Raketenprogramm Ariane 7 beispielsweise sollen bereits im Jahr 2025 größtenteils AM-Teile verbaut sein, wodurch eine Kostenreduktion von bis zu 50 % erreicht werden soll. Der technische Fokus liegt dabei auf Leichtbau- und Hochtemperaturwerkstoffe wie Titan-, Nickel-, Aluminiumlegierungen sowie Stahlkomponenten. Aufgrund der hohen Abschmelzleistung werden zur industriellen Fertigung größerer Raumfahrtstrukturen vorrangig drahtbasierte Verfahren verwendet (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM), wobei der Grundwerkstoff als Drahtzusatz in einem Lichtbogen unter Schutzgasatmosphäre abgeschmolzen und somit die Struktur Lage für Lage erstellt wird. Bedingt durch den thermo-metallurgisch-mechanischen Herstellprozess können sowohl während als auch nach der Fertigung hohe Eigenspannungs- und Verformungszustände auftreten, welche einerseits die Stabilität des WAAM-Prozesses selbst und andererseits die Gebrauchstauglichkeit der finalen Struktur maßgeblich beeinflussen. Aufgrund der jungen Technologie gibt es zurzeit keine grundlegenden Erfahrungen oder fundierte Empfehlungen, welche die Auslegung des WAAM-Prozesses definieren. Im Rahmen dieses kooperativen Forschungsprojektes wird somit der Einfluss und die mögliche Interaktion von Prozessparametern, wie beispielsweise die eingebrachte Wärmeenergie, Geometrie, Reihenfolge und Richtung des Lagenaufbaus sowie weitere Schweißstrategien, globale und/oder lokale Wärmebehandlungen und auch der Effekt von Einspannbedingungen und Klemmkräften auf den sich ergebenden Eigenspannungs- und Verformungszustand untersucht. Grundlegend dafür ist der Aufbau einer zeit-effizienten numerischen WAAM-Simulationsmethodik, welche ein wesentliches Ziel des Projektes darstellt. Mittels umfassender Parameterstudien an charakteristischen Strukturdetails und weiterer bauteilnaher Geometrien wird die Basis zur finalen Implementierung in den industriellen WAAM-Herstellprozess zur Erzeugung eines AM-Raumfahrtprototypen im Projekt geschaffen. Die numerischen Ergebnisse und Methoden werden durch umfangreiche WAAM-Versuche experimentell validiert, wobei ein eigenes Verfahren zur in-situ Messung lokaler Größen, wie beispielsweise Dehnungen oder Temperatur, aufgebaut wird. Basierend auf den umfassenden numerischen und experimentellen Tätigkeiten werden abschließend detaillierte Richtlinien zur genauen, zuverlässigen sowie reproduzierbaren Auslegung des WAAM-Prozesses hinsichtlich einer industriellen Herstellung von Hochleistungs-AM-Komponenten für die Raumfahrt abgeleitet, welches das finale Ziel des kooperativen Forschungsprojektes darstellt.

Abstract

Manufacturing of complex structures for aerospace applications requires innovative manufacturing technologies that enable precise, reliable and reproducible production in an industrial environment. Traditional processes, such as forging, meet these demands, but lead to high unit costs, which are difficult to implement economically due to the small quantities involved in space travel. A comparatively modern alternative is additive manufacturing (AM), where the structure is built up by generative production. For the Ariane 7 rocket program, for example, the majority of AM parts are to be installed by 2025, with the aim of achieving a cost reduction of up to 50 %. Thereby, the technical focus lies on lightweight and high-temperature materials such as titanium, nickel and aluminum alloys as well as steel components. Due to the high deposition rate, wire-based processes (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) are primarily used for the industrial production of larger aerospace structures. The base material is melted as a wire additive in an arc within a protective gas atmosphere, thus creating the structure layer by layer. Due to the thermo-metallurgical-mechanical manufacturing process, high residual stress and deformation states can occur both during and after production, which on the one hand significantly influence the stability of the WAAM-process itself and on the other hand the serviceability of the final structure. Due to the new technology, there is currently no fundamental experience or well-founded recommendations to define the design of the WAAM process. Within the framework of this cooperative research project, the influence and possible interaction of process parameters, such as the thermal heat input, geometry, sequence and direction of the layer build-up as well as further welding strategies, global and/or local heat treatments, and also the effect of clamping conditions and clamping forces on the resulting residual stress and deformation condition are investigated. Therefore, a fundamental goal of the project is the development of a time-efficient numerical WAAM-simulation methodology. By means of comprehensive parameter studies on characteristic structural details and further component-related geometries, the basis for the final implementation in the industrial WAAM manufacturing process for the generation of an AM space prototype is created in the project. The numerical results and methods will be experimentally validated by extensive WAAM tests, whereby a self-developed procedure for the in-situ measurement of local quantities, such as strains or temperature, will be established. Based on the comprehensive numerical and experimental activities, detailed guidelines for an exact, reliable and reproducible design of the WAAM process with regard to the industrial production of high-performance AM aerospace components will be finally derived, which represents the final goal of the cooperative research project.