Hybrid Large-Format Additive Tooling: Leichte, schnelle, kosteneffiziente Formen für Großbauteile

Seit über drei Jahrzehnten nutzt die kommerzielle Luftfahrt zunehmend Composite-Materialien. Heute sind über die Hälfte kritischer Strukturkomponenten mehrerer großer Verkehrsflugzeuge Composites. Mit wachsendem Volumen und Bauteilgröße wird es zunehmend schwierig, Werkzeuge – besonders bezahlbare – für schnelles Prototyping und Fertigung zu bauen. Beispiel: A350 XWB Flügel von Airbus SE (Leiden, Niederlande) sind jeweils 32 m lang, 6 m breit – einige der größten Composite-Luftfahrtstrukturen je produziert.

„Es gibt jetzt derartige Durchbruch-Fertigungstechnologien am Markt, dass wir große Schritte in der Werkzeugentwicklung erwarten können, um Herausforderungen bei Composite-Flugzeugkomponenten zu meistern“, so M. Pilar Muñoz Lopez, Composite Manufacturing Engineer bei Airbus Illescas, Spanien. „Entscheidend, diese Technologien, Fähigkeiten und Grenzen zu untersuchen, um für die Zukunft gerüstet zu sein.“

Da Werkzeuge erheblichen Anteil an Gesamtprogrammkosten für Aerostruktur-Teile haben und Bauteile größer werden, werden neue Werkzeugoptionen mit niedrigeren Kosten und Lieferzeiten benötigt. Eine interessante Studie zu hybriden, großformatigen, additiv gefertigten (LFAM) Werkzeugen für Prototypen- und Kleinserien-Aerostruktur-Teile wurde kürzlich von Airbus, Northrop Grumman Aeronautics Systems – Aerospace Structures Business Unit (Clearfield, Utah, USA) und University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio, USA) mit ermutigenden Ergebnissen abgeschlossen.

Thermische Ausdehnungsprobleme zähmen

Majorität CFK-Aerostrukturen aus Epoxid-Matrix-Prepreg. Werkzeuge müssen Ofen-/Autoklav-Aushärtetemperaturen bis 180 °C/356 °F standhalten. Bei CFKs sehr niedrigem linearem thermischem Ausdehnungskoeffizienten (CLTE/CTE) ist es kritisch, Werkzeug- und Formmaterial-CLTEs bei Raum- und erhöhten Temperaturen so genau wie möglich anzupassen. So behalten Formen Dimensionen, resultierende Teile erfüllen Maßanforderungen. Vermeidung von Verzerrung/Spannung in finalen Strukturen: Werkzeugmaterial darf nicht schneller abkühlen als Teilmaterial. Konsequenz: Gängigste Werkzeuge für große CFK-Aerostrukturen sind aus CFK selbst oder Invar (Nickel-Eisen-Legierung mit niedrigem CLTE). Beide kostspielig, lange Lieferzeiten. Invar schwer zerspanbar, zeitintensiv, schwer zu versenden. Stahl- oder Aluminiumwerkzeuge reduzieren Kosten, aber höhere CLTE-Werte limitieren Einsatz – besonders bei großen/langen Teilen.

Zahlreiche öffentlich/privat Studien evaluierten additiv gefertigte Werkzeuge aus Thermoplasten – potenzielle Vorteile: niedrigere Kosten, kürzere Lieferzeiten für Duroplast-Laminat-Composites. Leider: Polymer-LFAM-Werkzeuge haben Porosität → signifikanter Vakuumverlust bei Aushärtetemperaturen/Drücken. Behebung: zusätzlicher Werkzeugfüll-Nacharbeit und Oberflächenbeschichtungen. Noch größere Herausforderung: hochanisotrope CLTE-Werte durch In-Plane-Feedstock-Filler-Ausrichtung während Extrusion/Druck – Ausdehnungs-/Kontraktionsdifferenzen 5-10x größer in Z-Achse vs. X/Y-Druckachsen. Herausforderung: dimensionsgenaue Teile reproduzierbar – besonders bei großen Teilen, hohem Aspect Ratio, komplexen Oberflächen.

„Alle an additivem Werkzeugbau Interessierten stoßen auf dieselben Porositäts- und unkontrollierten thermischen Ausdehnungsprobleme mit wenigen effektiven Lösungswegen“, erklärt Scott Huelskamp, UDRI Team Leader Advanced Manufacturing Process Development, Structural Materials Division. „Viele wollen AM-Werkzeuge nutzen, warten auf Problemlösung.“

Angesichts AM-Potenzial für Werkzeugkosten-/Lieferzeitreduktion fokussierte Industrie beträchtliche Anstrengungen auf Ausdehnungsprobleme: neue druckbare Materialien, Drucker-Hardware-Modifikationen, innovative Modellierungsansätze. Beispiel: „Kompensationswert“ für AM-Werkzeugdesign gegen CLTE-Differenziale. Huelskamp: Bestimmung welcher Kompensationswert schwierig, fehleranfällig. Auch ineffektiv für Female-Cavity-Werkzeuge und Werkzeuge mit Fangmerkmalen entlang Länge – Die-Lock-Bedingungen, die Teile bei Thermocycling beschädigen können.

„Kein Kompensationsfaktor fixiert solche Probleme“, fügt er hinzu. „Bis dato hat keine AM-Werkzeugstudie den Bedarf an niedrigen, isotropen CTE-Werten bei erhöhten Temperaturen vollständig adressiert. Ohne dieses Merkmal bleiben Werkzeuggrößen und -geometrien begrenzt, größere Werkzeuge leiden unter höheren Dimensionsfehlern bei Aushärtetemperaturen.“

„Brute-Force“-Ansatz

UDRI hatte bereits Erfahrung in AM-Werkzeugstudien, aktives Mitglied von America Makes (Youngstown, Ohio, USA), US-AM-Konsortium. Forschung für US Air Force: AM-Strukturen mit metallischem Backing. Zusammenarbeit mit Cincinnati Inc. (Harrison, Ohio, USA), Hersteller Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Drucker, zu reinem AM-Tooling.

„Wir arbeiteten mit Custom Compoundern an neuen Feedstocks für 3D-Drucker, aber nichts brachte echten Fortschritt, und wir wussten von niemanden mit mehr Erfolg“, erinnert Huelskamp. „Da kam die Idee, das Problem anders anzugehen. Wenn wir AM-Materialverhalten nicht direkt ändern oder vorhersagen können, vielleicht können wir es indirekt zwingen, sich so zu verhalten, wie wir wollen.“ UDRI schlug hybride LFAM-Studie vor: konventionelle CFK-Faceskins auf thermoplastisch-composite AM-Kerne.

Projektziele: günstigere, schnellere Methode für große Aerostruktur-Werkzeuge. Ziel: 50 % Kostensenkung, mindestens 10 akzeptable Prototypen/Kleinserienteile für Tests.

Team entschied für Sandwichstruktur für einseitiges Werkzeug für Abschnitt eines generischen Flügelholmers mit Airbus-Werkzeugdaten. Außer Werkzeug nur für Holmabschnitt (Platzbeschränkung UDRI) – keine großen Designänderungen.

Female-Werkzeugdesign: kritische Teilegeometrie durch hartwerkzeuggeformte Oberflächen. Holmkappen-Werkzeug mit leichter Einwärtsneigung → negativer Draft, Die-Lock-Bedingung, Einteiler. Design modifiziert zu Split-Tool, abgedichtet mit Gasketing/Cordstock. Risikominderung: Start mit 0,6 m Subskala-Werkzeug zum Proof-of-Concept. Nach Test und funktionsfähigen Prototypenteilen: größeres 3,3 m / 11 ft Werkzeug für größeren Holmabschnitt.

CFK-Werkzeug: niedriger CLTE, leichter als Invar, für Prototyp/Kleinserie → CFK-Faceskins zur AM-Kern-Konstriktion. Skins: Hextool M81 Epoxid-Werkzeugprepreg von Hexcel (Stamford, Connecticut, USA).

Materialformat: 2.000 g/m² (59 oz/yd²) Mat aus gehackter Carbonfaser, imprägniert mit Hexcels 8552 zähmodifiziertem Epoxid. Oft für Composite-Werkzeuge genutzt wegen nahezu isotropen Eigenschaften – Post-Mold-Bearbeitung ohne Werkzeugbewegung durch Residualspannungsrelaxation.

Kern gedruckt auf Cincinnati Inc. BAAM 1000 bei Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, USA). UDRI und Cincinnati: Erfahrung mit Hochtemperatur-Thermoplast Polyetherimid (PEI). Auswahl: 20 % Kurzcarbonfaser-verstärktes PEI (Thermocomp EX004EXAR1 Ultem) von SABIC (Riad, Saudi-Arabien) für Near-Net-Shape-Kern. (Carbonfasern stabilisieren Polymer beim Drucken, verhindern Absacken; in fertiger Struktur reduzieren Fasern CLTE in Druckrichtung.) Kosten niedrig halten: Kern als Werkzeugmaster, Faceskins direkt auf Kern laminiert ohne Kleber, aber mit Kern-Oberflächenmodifikation (IP, im Projekt entwickelt). Effektiv, keine Delamination nach mehreren Thermocyclen.

Kondensierte Fertigung

Konventionelle Aerostruktur-CFK-Werkzeugherstellung: Low-Cost-Master (Werkzeugplattenblöcke im Ofen/Autoklav verkleben, monolithische Struktur auf Teilegeometrie zerspanen), Werkzeugmaterial auflegen, baggen, autoklavieren. Nach Entformen, Reinigung: Backing-Struktur ankleben, Werkzeugoberfläche erneut bearbeiten für geometrische Toleranz und Oberflächengüte.

Hybrid AM-Tooling: kondensierter Fertigungsprozess für reduzierte Lieferzeit und Kosten. 1. Near-Net-Shape-Kern (Werkzeugmaster) 3D-gedruckt (Kurz-Carbonfaser/PEI). 2. CFK-Werkzeugprepreg direkt auf beide Kernseiten laminiert (Hot Debulks zwischen Lagen 1, 4, 7 per Herstellerempfehlung). 3. Gesamte Struktur Vakuum-baggen, autoklavieren.

Kondensierter Fertigungsprozess für Subskala C-Holm-Werkzeug (Schritte 2-6 als Bildergalerie).

Gute Haftung PEI-Kern/Epoxid-Skins während Laminataushärtung → kein Kleber nötig. CFK-Skins: nicht porös, langlebiger als AM-Kern, physisch Kernbewegung bei Temperaturexkursionen durch viel niedrigere CLTE-Werte begrenzt. Nur ein Aushärten und eine Bearbeitung – beide Hauptkosten traditioneller Werkzeugproduktion – für finale Dimensionen und Oberfläche. Kein Backing nötig dank Sandwichstruktur und Werkzeugform: Return-Flansche oben für laterale Steifigkeit, Mittelschraubverbindung für vertikale Steifigkeit – Klebevorgang entfällt.

Anfängliche Herausforderungen

Forscher standen vor mehreren beherrschbaren Herausforderungen.

Für BAAM-Fertigung bevorzugte Richtung: Querschnitt als vertikaler Build. Kein Problem für 0,6 m Werkzeug; aber 3,3 m > BAAM 1000 Z-Achse. Forscher halbierten beide Subskala-Werkzeuge längs und splitteten erneut in Links/Rechts (Holmkappen-Unterschnitt, Entformung).

Druckeffizienz: Werkzeugabschnitte back-to-back gedruckt, dann in Rechts/Links geschnitten. 3,3 m Länge: zwei Rechtshälften, dann zwei Linkshälften mit Henkel Loctite EA9394 Epoxidkleber verklebt. AM-Kern unbearbeitet gelassen – kritisch für niedrige Werkzeugkosten, kurze Lieferzeiten, mechanischen Interlock zwischen AM-Kern und CFK-Skins beidseitig. Rückseite je Werkzeughälfte: 5 Lagen Prepreg, Vorderseite: 9 Lagen für Extra-Material beim Post-Cure-Machining.

Vorläufige Ergebnisse

Zusätzlich zur CLTE-Kontrolle des AM-Kerns: Prepreg lieferte gratfreie Oberfläche, Vakuumintegrität ohne Dichtmittel/Beschichtung. So erfolgreich, dass Multi-Piece-Werkzeugdesign mit Gasket-Abdichtung ermöglicht wurde – laut Forschern zuvor in AM-Werkzeugen bei hohen Temperaturen nicht demonstriert. Werkzeugmasse signifikant reduziert: Subskala-Werkzeug 1/3 Gewicht vergleichbaren Invar-Designs. Leichtere CFK-Werkzeuge: einfacher Handling, Lagerung, kürzere Autoklav-Heiz-/Kühlzyklen. Bei Vollskala-C-Holm: Gewichtsvorteil könnte Unterschied zwischen Unter-/Überschreitung Kran-/Portalkran-Gewichtslimits in manchen Fertigungsräumen sein.

Wichtig: 0,6 m Hybrid-Werkzeugkosten während Fertigung mit Industriestandard-Lohnkosten berechnet: 24.136 $ USD, ca. 50/50 Split Bearbeitung vs. Druck/Laminieren. Identisches Invar-Werkzeug: 46.775 $ USD – fast 50 % Ersparnis. 3,3 m Werkzeugkosten unvollständig, aber ca. 30 % Ersparnis pro Längeneinheit erwartet (Material/Druck linear, Bearbeitung Skaleneffekt). Hybridansatz: Werkzeuge erfüllen operative Leistungsanforderungen von Airbus und Northrop Grumman – viable Alternative zu Invar für Rapid-Prototyp/Low-Use-Tooling. Werkzeuglebensdauer nicht Teil der Studie, aber wahrscheinlich weit über 12 demonstrierte Zyklen hinaus.

Programm von 18 auf 30 Monate verlängert, aber weitere Studien nötig: finale as-gedruckte Kerngeometrie vs. CAE-Modellvorhersage, prädiktive Genauigkeit verbessern für ausreichend Lagen in kritischen Bereichen gegen Punch-Through beim Bearbeiten. Team betrachtet Projekt als erfolgreich mit beträchtlichem Potenzial für zukünftiges LFAM-Tooling.

„Northrop Grumman freut sich auf 3-m-Holm-Demonstrationsbauteil mit 3,3-m-Hybridwerkzeug von UDRI und eigenem Automated Stiffener Forming (ASF) Prozess zur Bewertung Werkzeughaltbarkeit und Dimensionsstabilität“, ergänzt Vern Benson, Northrop Grumman Technical Fellow.