Großformat-AM erhöht Luftfahrt-Flexibilität

Ascent Aerospace (Macomb Township, Michigan, USA; Santa Ana, Kalifornien, USA) bezeichnet sich als weltweit größten Luftfahrt-Werkzeuglieferanten, der meist metallische Lösungen für Formen, Montage- und Trim-and-Drill-Vorrichtungen bereitstellt. Der Formbau-Fokus des Unternehmens liegt auf großen Aerostrukturen wie Gondeln, Tragflächen, Rümpfen, Holmen, Stringern und Spanten. Seine Trim-and-Drill-Vorrichtungen werden in CNC-Bearbeitung, Roboterschweißen, automatische Pressen, Inspektionssysteme und Montageanwendungen eingesetzt.

2018 begann das Unternehmen, Großformat-Additives Manufacturing zu seinem Santa Ana Portfolio hinzuzufügen und evaluierte Systeme, Materialien und Anwendungen am Markt. Erkennend, dass es eine Großformat-Maschine brauchte, die Werkzeuge typischer Ascent-Größe produzieren konnte, investierte das Unternehmen 2019 in ein LSAM-System von Thermwood (Dale, Indiana, USA) – eine 10 x 40 Fuß Dual-Gantry/Dual-Function, extrusionsbasierte Additive Manufacturing Zelle, die einen Großformat-Drucker an einem Ende und CNC-Bearbeitungsfähigkeiten am anderen Ende umfasst. Das System wurde im zweiten Quartal 2020 installiert, just als die Pandemie begann.

Sean Henson, Global Product Manager, Composites and Additive Manufacturing an Ascent's Santa Ana Standort, sagt, dass obwohl das Timing nicht ideal war, Ascent in der Lage war, das neue LSAM sofort einzusetzen und begann einen mehrmonatigen Einsatz, um Fähigkeiten, Vorteile und Limitationen von Großformat-AM in einer Werkzeugbau-Umgebung zu verstehen.

Die Lernkurve und Pandemie nichtwithstanding, lieferte Ascent mehr als 20 Werkzeugprogramme durch das LSAM im ersten Betriebsjahr. Die meiste Arbeit konzentrierte sich auf Produktion von Vorrichtungen, Vakuum-Trim-Werkzeugen, Prototypen und Formen. Für Trim-Vorrichtungen nutzte Ascent primär ein ABS-Harz von Techmer (Clinton, Tennessee, USA) verstärkt mit 20 Gew.-% gehackter Kohlefaser. Für Formbau-Anwendungen, die Hochtemperaturzyklen erfordern, druckt Ascent mit entweder Polyethersulfon (PESU) oder Polyetherimid (PEI), beide verstärkt mit gehackter Kohlefaser. Ascent hat auch in wenigen Applikationen mit Polycarbonat (PC) gedruckt, weil es leicht bessere Eigenschaften als ABS bietet und ein höherer Temperaturperformer ist. Henson sagt, ca. 75 % der mit dem LSAM-System gefertigten Produkte sind für Raumtemperatur-Einsatz, der Rest für Temperaturzyklen. Von den Formen, die Temperatur sehen, sind einige Form-Masters für <200 °F Umgebungen designed, andere für Autoklavaushärtung bis 350-400 °F und 100 psi Druck.

Was ist der größte Vorteil von LSAM? Geschwindigkeit und Kosten, sagt Henson. Die Lieferzeit für eine LSAM-gefertigte Form ist halb so lang wie für eine metallische Form und Materialkosten sind ebenfalls geringer. „Also Geschwindigkeit ist ein riesiger“, sagt Henson. „Der Grund, warum wir Richtung Großformat-Additiv gingen, waren die Materialauftragsraten und einfach die Menge, die wir bauen können, weil unsere Werkzeuge groß sind. Wir können wirklich große Sachen wirklich schnell bauen. Unsere Drucke dauern typischerweise zwischen acht und 15 Stunden. In der Zeit können wir Werkzeuge fertigen, die bis zu 1.000 oder 1.500 Pfund Material wiegen. Also schauen wir auf einen Footprint 13 bis 14 Fuß lang und 5 Fuß hoch und drucken das in weniger als einem Tag.“

Weiterhin, weil Ascent eine Dual-Gantry/Dual-Function-Maschine hat, kann es gleichzeitig drucken und Formen finishen. „Es hat die Dual Gantry“, merkt Henson an. „Also haben wir die Fähigkeit, auf der einen Hälfte des Systems zu drucken und auf der anderen zu bearbeiten, und wir können diese unabhängig laufen lassen, also können wir etwas drucken, das 10 bis 15 Fuß lang ist, und etwas auf der anderen Seite des Tisches bearbeiten, das die gleiche Länge hat, und diese Operationen simultan laufen lassen.“ Auch merkt Henson an, dass weil Drucken und Finishing auf derselben Maschine sind, der „Router weiß, wo der Drucker Material abgelegt hat“, was den nachgelagerten Bearbeitungsprozess beschleunigt. Für die richtige Applikation und den richtigen Kunden, sagt Henson, liefert 3D-Druck ein fertiges, nutzbares Produkt schneller als möglich mit jedem Legacy-Material oder -Prozess.

Die Nachteile? Es gibt ein paar, beginnend mit dem Near-Net-Shape-Aspekt des 3D-Drucks mit großem Extruder. „Alles, was wir machen, ist ein Overbuild mit nachgelagerter Bearbeitung“, weist Henson hin. „Der Trade-off, den du machst, um so viel Material abzulegen wie der LSAM kann, so schnell er kann, ist die Auflösung deiner Drucke. Unsere [extrudierten] Bahnen sind über dreiviertel Zoll breit und etwa ein Viertel Zoll hoch. Wenn du ein as-gedrucktes Stück anschaust, siehst du diese Scallops, du kannst sie fühlen. Es ist ein FDM-Punkt-Layer, nur 100-mal aufgeblasen. Und so für jede Art glatter Oberfläche, ob Temperaturform, Trim-Werkzeug oder sogar nur glatter Prototyp, gibt es einen Bearbeitungsanteil, um ein feineres Finish zu bekommen, besonders für Luftfahrtanwendungen.“

Die zweite Herausforderung ruht in der Tatsache, dass ein kohlefaserverstärkter Thermoplast sich nicht wie Invar, Aluminium oder Stahl verhält. Die anisotrope Natur faserverstärkter Materialien bedeutet, ihr hochvariabler Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) in einer Form während thermischen Zyklen kann es schwierig machen, fertige Bauteile zu produzieren, die Dimensionsspecs treffen. „Das ist die große Herausforderung, die wir auf der Designseite und auf der Druckseite haben“, sagt Henson. „Kunden geben uns eine finale Form und dann müssen wir etwas Modellierungsarbeit machen, um herauszufinden, wie das Werkzeug sowohl aus struktureller als auch aus CTE-Sicht aussehen muss.“ Henson sagt, Ascent lernt, CTE-Variabilität in seinen Designs anzupassen, basierend auf Trial-and-Error, Daten aus früheren Druckprogrammen und Kundenfeedback, um seine Designfähigkeiten zu verfeinern.

Henson sagt, diese Kosten/Nutzen-Kombination – CTE versus Geschwindigkeit und Kosten – bedeutet, dass seine LSAM-Fähigkeiten sorgfältig eingesetzt werden müssen, Abwägung der Applikationsanforderungen gegen den Liefertermin. „Das ist ein wirklich guter Weg, ein Werkzeug in Wochen zu bekommen, im Gegensatz zu ein paar Monaten“, sagt Henson. „Aber sei dir der Trade-offs bewusst. Wenn du erwartest, es reagiert wie ein Invar-Werkzeug, wo du ein perfektes Teil bekommst, wird es das nicht tun. Aber für viele Kunden, und besonders viele R&D- und Entwicklungs-Kunden, ist es ein wirklich guter Weg, ein schnelles Werkzeug zu bekommen.“

Das gesagt, ist mindestens eine der Formen, die Ascent von seinem LSAM gedruckt hat, bereits in Produktion für ein fliegendes Flugzeug im Einsatz, mit sicherlich mehr zu kommen. Und das Unternehmen envisions einen Tag, nicht zu fern, an dem es seine LSAM-Kapazität ausreizt und mehr hinzufügen muss. Das Eigentum des Unternehmens, sagt Henson, sieht das Potenzial von 3D-Druck und ist hochsupportiv für dessen erweiterten Einsatz.