Luft- und Raumfahrtfertigungsmethoden für die Prototypenentwicklung und Produktion
Beschleunigen Sie den Übergang vom Prototyp zur Serienproduktion mit industriellem 3D-Druck und weiteren modernen Fertigungsverfahren
In der Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie werden zunehmend fortschrittliche Fertigungsprozesse eingesetzt. Diese Technologien werden unterschiedlich bezeichnet: Beispiele sind Industrie-4.0-Prozesse, digitale Fertigung, smarte Produktion oder einfach fortschrittliche Fertigung. Sie umfassen eine Vielzahl leistungsstarker Herstellungstechnologien – vom 3D-Druck (additive Fertigung) bis hin zu traditionelleren Verfahren wie der CNC-Bearbeitung, der Blechbearbeitung und dem Spritzguss.
Das Ziel all dieser integrierten Technologien ist dasselbe: eine lückenlose Fertigungslösung vom Design bis zur Auslieferung anzubieten.
Unternehmen der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigung arbeiten häufig mit digitalen Herstellern wie Protolabs zusammen, um bestehendes Expertenwissen in jeder Entwicklungs- und Produktionsphase zu nutzen. Solche Partnerschaften bieten Unternehmen in dieser Branche zahlreiche Vorteile, es gibt jedoch auch einige Punkte zu beachten. Digitale Hersteller sollten als „zugelassene Lieferanten” in Betracht gezogen werden, wenn Unternehmen der Luft- und Raumfahrt Zugang zu fortschrittlichen Fertigungsprozessen suchen. Digitale Hersteller übernehmen bewährte Verfahren und erfüllen die strengen Anforderungen der projektkritischen Produktion.
Der Einsatz erweiterter Fertigungspraktiken erstreckt sich von der Konzeptphase bis zum Endprodukt. Dieser Bericht bietet daher eine Übersicht über die Entwicklung und Produktion im Bereich Luft- und Raumfahrt sowie Rüstung. Dabei werden unter anderem Vorproduktions- und Prototyping-Verfahren sowie On-Demand-Fertigung und Kleinserienfertigung behandelt.
Luft- und Raumfahrt im Aufschwung
Die Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie verzeichnet nicht nur 2025, sondern auch in den Folgejahren ein signifikantes Wachstum. Dieses Wachstum geht mit einer steigenden Nachfrage nach Produktion einher, um die physischen Anforderungen dieser anspruchsvollen Anwendungen zu erfüllen.
Der „Global Aerospace and Defence Industry Outlook 2025“ von Deloitte zeigt einen anhaltenden Aufwärtstrend. Der Bericht weist darauf hin, dass die Branche auch 2025 auf Wachstumskurs bleiben wird, angetrieben durch eine steigende Produktion von Verkehrsflugzeugen und hohe Verteidigungsausgaben. Im kommerziellen Luftfahrtsektor bleibt der Auftragsbestand für Flugzeuge auf einem historischen Höchststand, da die Nachfrage nach kraftstoffeffizienten Flugzeugen der nächsten Generation aufgrund der steigenden Ölpreise weiter zunimmt.“
Laut dem Outlook wird mit dem Höchststand des Auftragsbestands erwartet, dass die Hersteller die Produktionsraten erhöhen. Das wird das Wachstum in diesem Sektor weiter antreiben. Im Verteidigungssektor werden verstärkte globale Spannungen und geopolitische Risiken, die Erholung des US-Verteidigungshaushalts sowie höhere Verteidigungsausgaben durch andere große regionale Mächte wie China, Indien und Japan das Wachstum dieses Sektors bis 2025 und darüber hinaus vorantreiben.
Der weltweit steigende Produktionsbedarf wird sich auch darauf auswirken, wie das Geschäft mit Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung global abgewickelt wird. Schließlich sind auch handelspolitische Überlegungen für die Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie in Sicht.
Diese Überlegungen stehen zunehmend im Mittelpunkt von Akteuren in diesem Sektor, wie Lockheed Martin, Airbus, Boeing, Northrop Grumman und anderen – viele von ihnen wenden sich neuen Fertigungsmethoden zu, um den neuen Anforderungen gerecht zu werden.
Additive Fertigung hebt ab
Während sich große OEMs der Luft- und Raumfahrt sowie andere Unternehmen neuen digitalen Produktionsmethoden zuwenden, hat sich die additive Fertigung als besonders geeignete Wahl herausgestellt.
Die Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie befindet sich in einer einzigartigen Position, um von den Effizienzen zu profitieren, die die additive Fertigung bei der Herstellung schwer zu fertigender und schwer zu beschaffender Komponenten bietet. Es gibt eine Reihe von Regierungs- und Handelsprogrammen, die Druck auf die US-Lieferkette für mechanische Komponenten ausüben. Dies führt dazu, dass viele der führenden Unternehmen der Branche nach agileren Wegen suchen, um die Produkte, an denen sie arbeiten, zu entwickeln, zu beschaffen und herzustellen.
Diese Programme verursachen Probleme in Bezug auf Qualität und rechtzeitige Lieferung. Viele OEMs haben für ihre besten Lieferanten einen internen Qualitätsstandard von 95 % oder mehr festgelegt. Die meisten Lieferanten erreichen jedoch nur 75–80 % dieser Werte, sowohl in Bezug auf die Qualität als auch auf die pünktliche Lieferung. Dies ist ein fast endloser Kreislauf, in dem die benötigten Teile zu 80 % der Zeit pünktlich, jedoch nur zu 75 % in der gewünschten Qualität geliefert werden. Dieser Kreislauf führt dazu, dass Lieferanten nach neuen Fertigungsmethoden wie der additiven Fertigung suchen, um Probleme in der Lieferkette zu lösen. Die additive Fertigung gilt als effektive Zeitersparnis bei der Beschaffung komplexer Geometrien, die teuer und langwierig sind.
Entsprechend nimmt die additive Fertigungsbranche den steigenden Bedarf in diesem Sektor zur Kenntnis.
Metallgesteuerte AM-Anbieter wie GE Additive erkennen die Besonderheiten der Fertigung für diese Anwendungen: „Luftfahrt und Raumfahrt sind zwei der Pioniersektoren für additive Fertigung. Diese Sektoren sind durch kleine Losgrößen und herstellerspezifische Anpassungen gekennzeichnet. Gleichzeitig sind diese Produkte dafür bekannt, sehr lange Lebenszyklen zu haben (beispielsweise können Komponenten in Passagierflugzeugen länger als 30 Jahre verwendet werden) und extrem hohe Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Hohe thermische oder mechanische Belastungen, insbesondere beim Start und bei der Landung oder bei Luftturbulenzen, sind eines der besonderen Merkmale der Anforderungsprofile für die meisten Komponenten.“
Für die tragfähige Herstellung von leistungsstarken, langlebigen Komponenten in anspruchsvollen Umgebungen sind solche Überlegungen notwendig. Neben Teilen für bemannte Flugzeuge sind beispielsweise Satellitensysteme darauf ausgelegt, bis zu 15 Jahre lang zu funktionieren. In der Drohnenindustrie gilt dasselbe: Drohnen sollen ähnlich wie kommerzielle Flugzeuge agieren und landen – nur eben ohne Menschen an Bord.
A&D applications have risen in usage for advanced manufacturing processes, which is easily observable in manufacturing metrics.
In der Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie haben Anwendungen für fortschrittliche Fertigungsprozesse zugenommen. Dies lässt sich leicht an den Fertigungsmetriken ablesen. So haben sich die Umsätze im Bereich der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt im letzten Jahrzehnt nahezu verdoppelt, gemessen am Gesamtanteil der Branche. Terry Wohlers von Wohlers Associates berichtet aus der Perspektive der additiven Fertigung, dass die Luft- und Raumfahrt im Jahr 2009 9,0 % des Umsatzes in der additiven Fertigung ausmachte (Wohlers Report 2009). In nur zehn Jahren hat sich dieser Anteil fast verdoppelt – auf 17,7 % (Wohlers Report 2019). Im gleichen Zeitraum stieg die Produktion von Endverbraucherteilen von 15,6 % auf 28,4 %, wie aus der Studie hervorgeht.
„Mit der zunehmenden Akzeptanz von Metall für Produktionsanwendungen übertrifft das Wachstum in der Luft- und Raumfahrt das in den Bereichen Konsumprodukte und Kraftfahrzeuge bei Weitem“, sagte Wohlers. „Luft- und Raumfahrtteile befinden sich genau im Kernbereich der additiven Fertigung: hoher Produktwert, Fokus auf leichte Teile und relativ niedrige Volumina.“
Laut Wohlers werden die Hindernisse für Qualifikation und Zertifizierung überwunden. Dies geschieht durch privates und öffentliches Engagement großer Luftfahrtunternehmen und Organisationen. Beispiele hierfür sind America Makes, die US-Militärs und die Federal Aviation Administration (FAA).
In diesem Sinne erklärte Michael Gorelik von der FAA im Jahr 2018: „Der Übergang zu sicherheitskritischen Teilen wird schneller erfolgen als ursprünglich erwartet.“ Im Laufe der Zeit werden verbesserte Materialien und Prozesse die additive Fertigung wahrscheinlich zu einem festen Bestandteil vieler Luft- und Raumfahrtprodukte machen. Tatsächlich finden die additive Fertigung und andere digitale Fertigungstechnologien bereits heute eine Vielzahl von Anwendungen in der Luft- und Verteidigungsindustrie.
Vorproduktion und Prototypenentwicklung: Entwurf, Test, Entwicklung
Neue Fertigungsmethoden erfordern neue Entwurfsmethoden. Das bedeutet, dass die Produktionsmethode bereits in den ersten Phasen eines neuen Produktkonzepts berücksichtigt werden muss. So kann ein konventionell gestaltetes Bauteil möglicherweise durch eine digitale Fertigungsmethode produziert werden. Die Optimierung dieses Designs für die spezifische Methode stellt jedoch sicher, dass sowohl die vorteilhaften als auch die begrenzenden Fähigkeiten dieser Methode berücksichtigt werden. So kann ein Additive-Manufacturing-Prozess (AM) beispielsweise die Einbeziehung komplexer interner Strukturen in einteilige Komponenten ermöglichen, die sonst in mehreren Teilen gefertigt und durch Schweißen oder einen anderen Nachbearbeitungsprozess zusammengebaut werden müssten.
Die Entscheidung für ein bestimmtes Fertigungsverfahren ist wichtig und erfordert mehrere Überlegungen. Dabei spielen die Materialauswahl, die Leistungsanforderungen, das Teilevolumen und andere Optionen eine Rolle. Nicht jedes Material ist mit jedem Prozess oder System kompatibel: Im Allgemeinen sind nicht schweißbare Metalle nicht mit der additiven Fertigung kompatibel, während bestimmte technische Thermoplaste nur für ausgewählte Prozesse FAA-zertifiziert sind.
Anschließend sind die Gestaltungsprozesse und Anforderungen zu berücksichtigen. Hierbei kommen fortschrittliche Softwareoptionen wie topologische Optimierung und generatives Design zum Einsatz, um komplexe, adaptive, organische Strukturen zu erstellen, die sowohl leicht als auch robust sind. Viele dieser neuen Werkzeuge sind für fortgeschrittene Fertigungsprozesse ausgelegt.
Die Softwaretools werden im Hinblick auf den additiven Prozess immer weiterentwickelt. Viele CAD-Pakete, mit denen Ingenieure arbeiten, können einen spezifischen Anforderungssatz für ein Teil aufnehmen und dann Hunderte einzigartiger Geometrien generieren. Dies würde einen einzelnen Ingenieur unzählige Stunden kosten, ermöglicht jedoch eine schnelle Analyse potenzieller futuristischer Strukturen. Ein hervorragendes Beispiel für ein Unternehmen, das dieses generative Design effektiv umsetzt, ist Autodesk.
Hersteller werden oft für ihr Fachwissen geschätzt, das sie in den Entwicklungsphasen einbringen, während die Entwürfe in Richtung Umsetzung gehen. Erfahrung mit einer Vielzahl von Systemen und Prozessen, wie sie Protolabs hat, kann Kunden häufig zur am besten geeigneten Lösung für ihre spezifischen Bedürfnisse führen. Suchen Sie nach einem Lieferanten, der über Branchenzertifizierungen (wie ITAR-Qualifikation, AS9100D, siehe weitere Einzelheiten im Abschnitt zur Qualitätskontrolle) verfügt, um dessen Wissen und Erfahrung in spezialisierten Bereichen zu gewährleisten. Diese Lieferanten können Testteile zur Auswertung bereitstellen, sodass sichergestellt ist, dass größere Aufträge wie gefordert ausgeführt werden.
Nachdem die Entscheidung für das beste Werkzeug für die jeweilige Aufgabe getroffen wurde und das Teil entworfen ist, folgt der nächste physische Schritt: das Prototyping. Dieser Prozess kann mehrere Iterationen umfassen, die getestet werden, um Festigkeit, strukturelle Integrität sowie Komponenten- und Fertigungsvalidierung sicherzustellen. Mit fortschrittlichen Fertigungsprozessen verkürzt sich die Iterationszeit, da für die additive Fertigung keine Formen benötigt werden. Ein schnellerer Prototyping-Prozess beschleunigt die Markteinführung und reduziert die Kosten für die Entwicklung von Teilen, Arbeitskosten und Ausfallzeiten im Zusammenhang mit der Reparatur oder dem Austausch nicht funktionsfähiger Teile.
Prototypen in einem späten Entwicklungsstadium werden auch bei Hochtemperaturtests in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet, insbesondere in vertikalen Startsystemen wie Raketen. Dabei durchlaufen voll funktionsfähige Komponenten Feldtests wie unbemannte Starts und Validierungen im Weltraum und in der Luft. Mithilfe iterativer Tests können verschiedene Designgenerationen unter realen Bedingungen bewertet und die geeignete Endauswahl getroffen werden.
On-Demand-Produktion und Kleinserienfertigung
Nach der endgültigen Designfreigabe kann die Produktion starten. Das ausgewählte Fertigungsverfahren berücksichtigt die benötigten Volumina und Lieferzeiten für jedes Teil. Der Schwerpunkt liegt hier vor allem auf Just-in-Time-(JIT)- und On-Demand-Fertigung mit Angeboten für die Kleinserienproduktion, wie sie in der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigungsindustrie häufig erforderlich ist. Ein JIT-Ansatz in Kombination mit einer On-Demand-Fertigung ermöglicht es Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrt, ihre Lager- und Lagerhaltungskosten insgesamt zu senken, insbesondere die Kosten für die Lagerung teurer Komponententeile.
Diese Bedarfe an Kleinserien mit hohem Wert eignen sich besonders gut für die additive Fertigung, insbesondere für industrielle Metall-3D-Druckverfahren wie das selektive Laserschmelzen (DMLS). Bei diesen Prozessen werden Metalle schichtweise gesintert, um voll ausgebildete, funktionsfähige Teile zu erstellen. Typischerweise begrenzen Prozessgeschwindigkeiten und Bauvolumina den kosteneffizienten Ertrag dieser Verfahren, aber da viele Luft- und Raumfahrtkomponenten in relativ kleinen Stückzahlen benötigt werden und der Fokus stattdessen auf Komplexität und Funktionalität liegt, hat sich der industrielle 3D-Druck als tragfähige Lösung herauskristallisiert. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Schmieden und Formen ist, dass keine Formen erforderlich sind und sich Einzelstücke oder sehr geringe Stückzahlen wirtschaftlich produzieren lassen.
Die meisten Unternehmen der Luft- und Verteidigungsindustrie, die eine additive Initiative umsetzen, fallen in eine der beiden folgenden Kategorien:
Komponentenreduktion und Leichtbau:
Sie wissen, wie viele Unzen Treibstoff benötigt werden, um ein Gramm Gewicht zu fliegen, sodass bereits kleine Reduktionen zu großen Gewinnen führen. Sie betrachten auch die Entwicklung eines Teils, das ursprünglich aus drei bis vier Komponenten bestand und nun in einem einzigen Stück gefertigt wird.
Hohe Materialkosten:
Eine Reihe von Unternehmen untersucht Komponenten, deren Ausgangsmaterialien teuer sind. Nach dem Bearbeiten der Geometrie sind die Kosten für die Späne auf dem Boden höher als für das Teil selbst. Dies führt dazu, dass Unternehmen versuchen, mit diesem Modell potenzielle Effizienzgewinne zu identifizieren.
Natürlich bleiben Spritzguss, CNC-Bearbeitung, Blechbearbeitung und andere traditionelle Fertigungsmethoden weiterhin im Einsatz.
Metall mit Charakter: DMLS |
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Auf Messen sind Besucher des Protolabs-Standes oft überrascht, wenn sie Muster von 3D-gedruckten Teilen aus Metall sehen. Tatsächlich lassen sich mit dem direkten Metall-Lasersintern (DMLS) innerhalb weniger Tage voll funktionsfähige Metallprototypen und Produktionsteile herstellen.
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Diese Produktionstechniken bieten der Branche die größte Auswahl an nachweisbaren Ergebnissen und das breiteste Angebot an verfügbaren, zertifizierten Materialien. Spritzguss ermöglicht zudem kostengünstigere großvolumige Produktionen kleiner und häufig benötigter Teile, die in Massen erstellt werden müssen. Die Bearbeitung wird nicht nur zur Erstellung von Teilen verwendet, sondern auch, um Komponenten, die in anderen Prozessen gefertigt wurden, auf die endgültigen Spezifikationen zu bringen. Dadurch werden genaue Abmessungen und Oberflächen sichergestellt.
Wie dieser letzte Punkt hervorhebt, beinhalten die besten Lösungen oft einen hybriden Ansatz, der mehrere Technologien kombiniert. So wie ein traditioneller Werkzeugkasten sowohl Hammer als auch Zangen enthält, verfügen moderne Fertigungsprozesse über additive und subtraktive Fertigungssysteme sowie das entsprechende Know-how. Protolabs beispielsweise bietet industrielle 3D-Druckdienstleistungen mit sechs verschiedenen Technologieoptionen sowie CNC-Bearbeitungsdienste, Blechbearbeitung und Spritzguss.
Bei der Produktion fertiger Teile ist es wichtig, einen digitalen Fertigungsanbieter zu wählen, der verschiedene Produktionsmethoden und eine große Materialauswahl bietet. On-Demand-Fertigungsdienste ermöglichen Just-in-Time-Bestellungen und -Lieferungen von qualitätszertifizierten Anbietern und machen diese Full-Service-Operationen zunehmend attraktiver für Kunden aus der Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungsindustrie.
Es ist wichtig, nach Unternehmen zu suchen, die Fertigungstechnologien dort einsetzen, wo sie sinnvoll sind. Ein Beispiel ist Lockheed Martin. Traditionelle Methoden wie Spritzguss und CNC-Bearbeitung werden nicht durch additive Fertigung ersetzt. Vielmehr suchen Unternehmen nach Herstellern, die traditionelle Fertigungsverfahren mit digitalen Methoden kombinieren.
In der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungssektor werden in Zukunft diejenigen Unternehmen erfolgreich sein, die traditionelle Fertigung und additive Verfahren in einem hybriden Format zusammenführen.
Die On-Demand- und Kleinserienproduktionsfähigkeiten digitaler Fertigungsanbieter ziehen zunehmend OEMs aus der Luft- und Raumfahrt sowie Regierungs- und Verteidigungsorganisationen und andere private Einrichtungen mit speziellen Produktionsbedürfnissen an. Durch Betriebsgrößen und direkte Beziehungen werden neue Lieferketten für zertifizierte Teile aufgebaut, die die Qualitätsstandards erfüllen oder übertreffen. Die Zusammenarbeit mit einem einzigen Anbieter für die Komponentenfertigung kann eine stabile Lieferkette mit einem vertrauenswürdigen Partner schaffen – eine entscheidende Überlegung in einem Bereich mit zahlreichen vertraulichen Projekten.
Materialien sind entscheidend für Luft- und Raumfahrtteile
Wie bereits erwähnt, sind die Gesamtkosten sowie eine breite Auswahl an Metall- und Kunststoffmaterialien für den Aerospace- und Defense-Sektor (A&D) wichtig. Wie im Abschnitt über DMLS berichtet, ist darüber hinaus die Kombination aus komplexen Teilen und leichtem Material für diese Branche besonders vorteilhaft. Es geht jedoch nicht nur um Metall. Tatsächlich bietet Protolabs neben DMLS fünf weitere 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen an. Diese Methoden umfassen Stereolithographie, Carbon DLS, Multi Jet Fusion, selektives Lasersintern und PolyJet. Dennoch werden Metallmaterialien zusammen mit Flüssigsilikon häufig für Flugzeugkomponenten verwendet. Hier sind fünf beliebte Materialoptionen:
Titan
Dieses leichte und zugleich starke Material ist äußerst korrosions- und temperaturbeständig und kann sowohl CNC-bearbeitet als auch im 3D-Druck hergestellt werden. Es wird in Triebwerken von Flugzeugen und Raumfahrzeugen verwendet. Aufgrund seiner Festigkeit und seines geringen Gewichts werden die Treibstoffkosten reduziert.
Aluminium
Aufgrund seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses ist Aluminium eine gute Wahl für Gehäuse und Halterungen, die hohen Belastungen standhalten müssen. Außerdem ist Aluminium das kostengünstigste Metall für die CNC-Bearbeitung oder den 3D-Druck.
Inconel
Dieses 3D-gedruckte Metall ist eine Nickel-Chrom-Superlegierung und somit ideal für Komponenten von Raketentriebwerken und andere Anwendungen, die eine hohe Temperaturbeständigkeit erfordern.
Edelstahl
Edelstahl 17-4 PH ist in der Luftfahrtindustrie weit verbreitet, da es eine hohe Festigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften bei Temperaturen bis zu 600 °F aufweist. Wie Titan kann es CNC-bearbeitet oder im 3D-Druck hergestellt werden.
Flüssigsilikon
Elastisches Fluorosilikon ist speziell auf Kraftstoff- und Ölbeständigkeit ausgelegt, während optisches Silikon eine gute Alternative zu PC/PMMA darstellt. Häufige Anwendungen in der Luftfahrt sind Oberflächen mit weichem Griff, Dichtungen, Abdichtungen und Dichtringe.
Inspektionen, Qualitätskontrollen und Zertifizierungen
In Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie dem Verteidigungssektor, in denen ein Ausfall von Geräten gefährlich oder in einigen Fällen sogar lebensbedrohlich sein kann, möchten Kunden verständlicherweise sicherstellen, dass Qualitätsmaßstäbe eingehalten werden. Oft wird dabei die Vorgabe gemacht, nur mit Herstellungsdienstleistern zusammenzuarbeiten, die über entsprechende Zertifizierungen verfügen. Zu den wichtigsten Zertifizierungen für Unternehmen der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigungsindustrie gehören AS9100D und ITAR.
AS9100D
AS9100D ist ein Qualitätsstandard in der Luftfahrtindustrie, der aus den Normen ISO 9000/ISO 9001 abgeleitet wurde. Seit seiner Einführung im Jahr 1999 durch die Society of Automotive Engineers (SAE) und die European Association of Aerospace Industries (AEIA) hat sich AS9100D zu einem Goldstandard für alle Teilnehmer der Luftfahrtindustrie weltweit entwickelt. Alle Lieferanten sind verpflichtet, den Standard zu erfüllen. Regelmäßige Überprüfungen und Überarbeitungen – die letzte fand 2016 statt – stellen sicher, dass der Standard den aktuellen Realitäten in der Luftfahrt-, Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie entspricht.
Die Einhaltung von AS9100D sollte ein Minimum bei der Überprüfung sein, das ein Luftfahrtunternehmen bei der Auswahl eines Vertragspartners für die Herstellung von Teilen berücksichtigt. Eine Zertifizierung nach solch strengen Standards bietet Sicherheit hinsichtlich der Prozessqualität.
Herstellungsdienstleister können Prozesse zertifizieren lassen, die diesen Standards entsprechen. Bei Protolabs sind beispielsweise die Prozesse CNC-Bearbeitung sowie DMLS, selektives Lasersintern (SLS) und Multi Jet Fusion (MJF) 3D-Druck AS9100D-zertifiziert.
ITAR
Für Verteidigungsanwendungen wird die ITAR (International Traffic in Arms Regulations)-Exportkontrollregulierung vom amerikanischen Außenministerium (DOS) überwacht. Die Herstellung von Artikeln für Verteidigungs- oder militärische Endnutzeranwendungen erfordert die ITAR-Compliance.
Diese Compliance muss jährlich zertifiziert werden. Dazu registriert sich jede Lieferfirma beim Directorate of Defence Trade Controls des DOS, um alle Verteidigungsaktivitäten zu dokumentieren. Diese Unternehmen müssen anschließend sicherstellen, dass der Zugang zu Daten, Informationen, Teilen und Produkten angemessen beschränkt wird.
Inspektionsberichte und Qualitätskontrolle
Zertifizierungen bilden die Grundlage für Anwendungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung, sind jedoch nicht das Ziel. Zertifizierte Einrichtungen, die End-to-End-Fertigungspraktiken von der Idee bis zum fertigen Produkt anstreben, überprüfen diese Prozesse im Anschluss an die Produktion.
Während der gesamten Produktion werden verschiedene Mittel zur Prozesskontrolle integriert, einschließlich In-situ-Überwachung für Echtzeit-Feedback und Anpassungen während des Bauteileaufbaus auf fortschrittlichen Systemen. Nach Abschluss der Arbeiten können die Teile entweder destruktiven oder nicht-destruktiven Prüfungen (NDT) unterzogen werden. Letztere werden zunehmend bevorzugt, da die hergestellten Teile in der Regel teuer und zeitintensiv sind. NDT-Methoden umfassen häufig Geräte wie Koordinatenmessmaschinen (CMMs), die mit Messtastern oder Lasern die Maßhaltigkeit überprüfen, sowie Röntgen- oder andere Scantechnologien und/oder Zugprüfmaschinen.
Eine lückenlose Rückverfolgbarkeit im gesamten Herstellungsprozess stellt sicher, dass jede Materialcharge, jedes hergestellte Teil und jede Partie von Teilen bis zu ihren Ursprüngen und durch jeden Schritt des Prozesses zurückverfolgt werden kann. Gut gepflegte Aufzeichnungen ermöglichen es Herstellern, ein einzelnes Teil, das vor Jahren hergestellt wurde, bis zur Quelle seiner Rohstoffe zurückzuverfolgen. Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn Probleme auftreten und das Teil mit anderen Ergebnissen derselben Charge verglichen werden muss. Die Aufzeichnungen zeigen auch die Daten der Mitarbeiter an, die mit dem Teil in Kontakt gekommen sind.
Einsatz digitaler Fertigungstechnologien bei Lockheed Martin
Die beste Bestätigung für neue Fertigungsprozesse sind die tatsächlich gefertigten Teile. Sehen heißt glauben. Lockheed Martin ist eines der weltweit bekanntesten Unternehmen für Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Sicherheit und fortschrittliche Technologien und befürwortet seit langem fortschrittliche Fertigung in seinen Operationen.
Brian Kaplun, der als Senior Manager für fortschrittliche Fertigung bei Lockheed Martin tätig ist, gab kürzlich einige Einblicke in die lange Geschichte des Unternehmens mit fortschrittlichen Technologien, einschließlich der additiven Metallfertigung: „Wir haben 2011 das erste additiv hergestellte Titan-Teil auf einer Juno-Plattform geflogen. Wir haben eine umfangreiche Geschichte in Flug- sowie Nicht-Fluganwendungen, nicht nur im Weltraum, sondern auch in vielen anderen Geschäftsfeldern von Lockheed Martin. Vor kurzem haben wir das erste Metall-AM-Teil auf einem Lockheed-Martin-Kampfflugzeug, dem F-22, geflogen. Wir werden unser Angebot für viele Plattformen, mit denen wir dort arbeiten, weiter ausbauen, einschließlich bemannter Raumfahrtprogramme wie Orion sowie Tiefraummissionen wie Juno. Andere Missionen, die wir in letzter Zeit durchgeführt haben, wie Blue Sea und Europa Clipper, beinhalten alle additive Komponenten.“
Zu den Projekten, für die Lockheed Martin additive Fertigungslösungen eingesetzt hat, gehören Treibstofftanks aus Titan, die mittels eines drahtgeführten Elektronenstrahlverfahrens hergestellt werden. Solche großen Teile verdeutlichen laut Kaplun die Vorteile der additiven Fertigung.
„Schmiedeteile, die traditionell über ein Jahr zur Beschaffung benötigen, sind jetzt in additiver Weise innerhalb von zwei Wochen herstellbar – mit deutlich weniger Materialabfall“, sagte er. „Die Einsparungen im Zeitplan und die Fähigkeit, in einem zunehmend agilen Markt flexibel zu agieren, sprechen für sich. Wir sehen Kosteneinsparungen und Einsparungen beim Zeitplan, die uns eine weitaus größere Reaktionsfähigkeit für unsere Kunden bieten und die Fähigkeit, sich über die Jahre hinweg an veränderte Anforderungen anzupassen.“
In einem weiteren Beispiel arbeitete Protolabs mit Lockheed Martin an einer Rettungsdrohne. Der Prozess begann mit 3D-Druck-Prototyping und wechselte dann zum Spritzguss.
Darüber hinaus arbeitete Protolabs mit Lockheed Martin und der NASA an einem Projekt, das maßgeschneiderte Blechteile erforderte (siehe Fotos rechts). Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, dass digitale Fertigungsanbieter eine Reihe von Fertigungsmethoden bereitstellen.
Der Einsatz fortschrittlicher Fertigungsmethoden wie dem industriellen 3D-Druck – von iterativen Prototypen bis hin zur Endproduktion – macht zukünftig für die Luftfahrt-, Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie Sinn. In vielerlei Hinsicht, wie in diesem Bericht dargelegt, ist die fortschrittliche Fertigung für diesen komplexen und vielfältigen Sektor geeignet, zu dem Verkehrsflugzeuge, Raumfahrzeuge, Drohnen, unbemannte Gleiter, Drehflügelflugzeuge und mehr gehören.
Folglich entdeckt diese Branche, dass diese leistungsstarken Fertigungstechnologien – um den Titel von Tom Wolfes ikonischem Buch über die Raumfahrt zu leihen – „die Helden der Nation” sind.
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