Additive Fertigung mit Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Composite Engineering in der US Air Force

Composite Engineering ist ein Feld, das jedes Jahr in immer mehr Branchen angewendet wird. Der Wunsch, in diesem Bereich zu arbeiten, führte mich zur Air Force und speziell zum Advanced Composites Office. Dies ist ein Büro der Air Force, aber wir unterstützen alle DoD-Organisationen. Neben den Konstruktions-, Analyse-, Konstruktions- und Reparaturproblemen von Verbundwerkstoffen bieten wir auch einwöchige Kurse für DoD-Organisationen und deren Mitarbeiter an. Diese Kurse umfassen einen Lehrplan, der eine Einführung in die Verbundwerkstofftechnik und einen fortgeschritteneren Techniker-Trainingskurs umfasst. In diesen Kursen können Studenten aus dem gesamten DoD praktische Erfahrungen beim Entwerfen und Reparieren von Verbundwerkstoffen sammeln.

Industrielle Erweiterung des 3D-Drucks

In meiner Zeit in verschiedenen Branchen habe ich unzählige Geschichten über die additive Lösung von Prototyping-Problemen für Unternehmen gesehen, insbesondere für kleine Unternehmen. Im Produktionslebenszyklus kleiner Unternehmen ist die Fähigkeit, funktionale Komponenten zu prototypisieren, bevor die Schritte zum Hochfahren der Massenproduktion durchlaufen werden, entscheidend für den Erfolg.

Mit den vielfältigen druckbaren Materialien von heute – von Metallen über Verbundwerkstoffe bis hin zu Thermoplasten, die nützlicher sind als nur PLA – ermöglicht der 3D-Druck Pass- und Funktionstests für Ingenieure und bietet wirklich das Digitalisierungsmedium, das erforderlich ist, um in den frühen Phasen der Produktentwicklung einen Business Case zu erstellen . Es ist nicht unbedingt das additive Teil, das ein Problem vollständig löst, sondern der 3D-Druck im Allgemeinen. Die Technologie des 3D-Drucks bereichert so viele entscheidende Schritte im Designprozess, dass Produktionsprobleme leichter zu lösen sind.

Ich denke, wir werden ein Wachstum der additiven Fertigung im Werkzeugbau erleben:Halterungen und Scharniere, Halterungen und Werkstatthilfen. In naher Zukunft werden wir den 3D-Druck sehen, der den Bereich der funktionalen Endverwendungsteile umfasst. Angefangen hat es mit PLA, das jeder in seiner Garage drucken kann. Da Unternehmen wie Markforged nun Verbundwerkstoffe und Metalle drucken können, öffnen diese stärkeren und nützlicheren Materialien eine ganz neue Tür für die additive Fertigung.

Die Qualität und Festigkeit der für den 3D-Druck verfügbaren Materialien verändert die wirtschaftlichen und technologischen Entscheidungen für alle Arten von Unternehmen. Wenn es sich um ein Teil mit geringer Produktion handelt, ist der 3D-Druck billiger als der Betrieb einer Form oder die Herstellung von CNC-Teilen aus einem Knüppel. Dies öffnet wirklich die Tür zu einer Reihe neuer Branchen, um den 3D-Druck einzuführen.

Warum die Luftwaffe auf Additive setzt

Auch die direkten Anwendungen für den 3D-Druck bei Luftwaffe und Militär nehmen zu. Es gibt zwei Schlüsselbereiche, die direkt auf den Einsatz der additiven Fertigung durch das Militär zutreffen.

1. Kleinserienproduktion: Für die Flugzeuge, an denen wir speziell arbeiten, stellen wir keine Hunderttausende von Teilen her, wie Sie es bei einem Serienteil tun würden. Luft- und Raumfahrt- und Militäranwendungen sind meist Kleinserien, und manchmal können diese Teile je nach verfügbarer additiver Fertigungstechnologie im Feld hergestellt werden.

2. Verteilte Fertigung: Die Kraft des Additivs liegt auch in seinen verteilten Eigenschaften. Wenn die 3D-Drucker günstig auf verschiedenen Untergründen platziert werden können, muss man, wenn etwas kaputt geht, kein neues Teil aus der ganzen Welt versenden. Bei der additiven Fertigung müssen Sie sich nicht auf eine einzige Produktionsquelle verlassen. Mehrere Drucker an mehreren Standorten können Teile erstellen.

Aufgrund dieser Faktoren sehe ich die additive Fertigung eine viel größere Rolle in Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Additive Werkzeuge für die Reparatur alternder Flugzeuge - MRO

Das Advanced Composites Office hat die Aufgabe, Lösungen in den Bereichen Design, Analyse, Konstruktion und Reparatur von Verbundwerkstoffen zu finden, insbesondere durch das Life Cycle Management Center, das die Reparatur alternder Flugzeuge abdeckt. Oft wurden Originalwerkzeuge für Flugzeuge zerstört oder verlegt, und wir können Additiv verwenden, um möglicherweise neue Werkzeuge für diese Flugzeuge herzustellen, damit sie fliegen können.

Eines meiner Hauptziele ist die Entwicklung additiver Werkzeuge, damit wir Verbundwerkstoffe für diese Flugzeuge herstellen können. Wenn wir Teile für ein alterndes Flugzeug herstellen, für das wir keine Werkzeuge oder CAD-Daten mehr haben, erstellen wir manchmal einen 3D-Scan eines vorhandenen Teils und gehen dann von dort aus zurück, um ein Modell zu erstellen, das wir dann in 3D drucken und als Werkzeug für dieses Teil.

Additive Fertigung für Verbundwerkzeuge

Wenn es um das Büro für fortschrittliche Verbundwerkstoffe geht, haben wir uns für den 3D-Druck aus der Sicht von Verbundwerkstoffen interessiert und wie er den Herstellungsprozess unterstützen kann. Derzeit verwenden viele Unternehmen großformatige 3D-gedruckte Teile aus Fused Deposition Modeling (FDM) für den Werkzeugbau, aber sie müssen Maschinenteile posten, nachdem sie den Drucker verlassen haben, bevor sie sie für ein Verbundlabor vorbereiten. Dies bedeutet, dass sie eine genaue CAD-Zeichnung oder ein CAD-Modell in 3D drucken und diese dann auf eine CNC-Maschine legen, wieder bearbeiten und dann mit einer Mischung aus Dichtstoffen und Formtrennmitteln für die Verbundschichtung vorbereiten müssen. Dies ist ein Schritt – die Übertragung auf die CNC –, den wir eliminieren möchten, da er viele Vorteile der additiven Fertigungswerkzeuge wegnimmt.

Aus meiner Sicht bestehen viele der Vorteile von Werkzeugen für die additive Fertigung darin, dass Sie schnell und einfach ein Teil erhalten, das genau Ihrem CAD-Design entspricht. Wenn Sie diese Form nachbearbeiten müssen, bevor Sie sie zur Herstellung eines Verbundteils verwenden, können Sie auch eine Art Werkzeugbrett verwenden, das viel billiger und genauso einfach zu bearbeiten ist. Wenn wir jedoch den Nachbearbeitungsschritt eliminieren können, können Sie viel Zeit und Energie sparen. Wenn wir ein 3D-gedrucktes Teil mit einer vakuumdichten Oberflächenbeschaffenheit ohne Nachbearbeitung, Handschleifen oder alles, was die Genauigkeit der Geometrie beeinträchtigen könnte, herstellen, sehe ich eine Welt, in der die additive Fertigung in großem Umfang für Verbundwerkzeuge verwendet wird. Das ist ein Bereich mit wirklich großer Wirkung, der sich gerade für den 3D-Druck abzeichnet.

Bildnachweis: Fotogalerie der Hill Air Force Base