Additive Drahtlichtbogenfertigung für Windkanalmodelle

von Dr. Filomeno Martina, Gründer und CEO, WAAM3D

Weltweit soll der Windkanalmarkt im Jahr 2027 auf 3,19 Milliarden US-Dollar wachsen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von +3,3 %. Seit die ersten geschlossenen Windkanäle im 19. Jahrhundert in Betrieb genommen wurden, haben sie ihren Wert bei aerodynamischen Untersuchungen unter Beweis gestellt und einen wesentlichen Beitrag zu jedem großen Flugzeugprogramm geleistet. Da unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) immer beliebter werden, zeigen Windkanalmodelle erneut ihr Potenzial, Ingenieuren dabei zu helfen, das Auftriebs-Widerstands-Verhältnis (oder L/D-Verhältnis) dieser und vieler anderer Luft- und Raumfahrtkomponenten zu verbessern.

In diesem Artikel erläutert Dr. Filomeno Martina, CEO und Mitbegründer von WAAM3D, wie der 3D-Metalldruck von Luft- und Raumfahrtforschungsunternehmen zur Verbesserung ihrer Produktentwicklung und Innovation genutzt wird und welche Leistung diese Prototypen erbringen.

Das Testen und Entwickeln eines Luft- und Raumfahrtteils durch Prototypendesign kann ein langer, langwieriger und kostspieliger Prozess sein. Diese Phase ist jedoch von entscheidender Bedeutung, denn je effektiver der Prototyp, desto besser das Endprodukt. Metallprototypen können nicht nur in fortgeschrittenen Phasen und Vorproduktionsphasen eingesetzt werden, sondern können auch frühzeitig eingesetzt werden, insbesondere wenn die mechanische und funktionale Leistung bewertet werden muss. Metallprototypen können aus Aluminium, Stahl oder anderen Materialien hergestellt und mithilfe verschiedener Verfahren wie CNC-Bearbeitung, Blechumformung, Gießen oder 3D-Metalldruck erstellt werden.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist eine 3D-Metalldrucktechnik, die das Potenzial hat, die Prototypen- und Komponentenproduktion in der Luft- und Raumfahrtindustrie in großem Maßstab zu verändern. Dies liegt daran, dass der teure Abfall, der mit der Bearbeitung von Materialien wie Titan verbunden ist, vermieden wird und weniger komplexe Strukturen mittlerer bis großer Größe in einer Reihe von Materialien (von Titan, Aluminium, hochschmelzenden Metallen, Stahl, Bronze und Kupfer bis hin zu Invar) erzeugt werden können. Inconel und Magnesium). Es eignet sich besonders für den Bau mittlerer bis großer Flugzeugkomponenten wie Kreuzform, Flansche, versteifte Platten und Flügelrippen.

RoboWAAM ist die großformatige 3D-Metalladditivdruckplattform von WAAM3D (Bild: WAAM3D)

In den letzten Jahren hat die Aircraft Research Association Ltd (ARA) mit Sitz in Bedford, Großbritannien, nach Möglichkeiten gesucht, die Vorlaufzeiten und Kosten für die Modellerstellung zu verbessern. Das Unternehmen hat viele Jahre lang unabhängige Forschung und Entwicklung für die britische Luft- und Raumfahrtindustrie betrieben und verfügt über einen globalen Kundenstamm, der von der Westküste Nordamerikas über Europa bis zum Fernen Osten Asiens reicht. ARA ist auch als Kompetenzzentrum für Aerodynamik anerkannt und hat an vielen innovativen Projekten für die weltweit größten Hersteller von Verkehrsflugzeugen und Verteidigungssystemen gearbeitet und ist es gewohnt, die Designgrenzen für technische Vorteile zu erweitern.

Nachdem die Aerodynamikingenieure von ARA zuvor mit den Gründern von WAAM3D und ihrem Team in Cranfield das Potenzial eines Stahlflügels untersucht hatten, wussten sie, dass WAAM das Potenzial hatte, die Vorlaufzeiten und Kosten für Windkanalmodelle zu reduzieren. Um diese Theorie zu testen, wählte ARA einen Aluminium-Nasenkegel mit 190 mm Durchmesser und 350 mm Länge, der im WAAM-Verfahren hergestellt werden sollte und im Rahmen eines von Clean Sky 2 finanzierten Forschungs- und Innovationsprogramms (gemäß GA-Vereinbarung Nr. 864803).

Der 190 mm Durchmesser und 350 mm lange Aluminium-Nasenkegel wurde mit der RoboWAAM-Maschine hergestellt (Bild: WAAM3D)

Basierend auf der seit 2006 durchgeführten Forschung der Cranfield University ist WAAM3D führend in der großtechnischen additiven Fertigung. Das Team verfügt über Erfahrung in der Lieferung schlüsselfertiger Lösungen auf der Grundlage selbst entwickelter Produkte, Dienstleistungen und Materialien und arbeitete eng mit ARA zusammen, um das Design des Nasenkegels zu optimieren und sicherzustellen, dass es im Hinblick auf Zeit- und Kosteneinsparungen geliefert wird. Zu diesem Zweck berücksichtigte das WAAM3D-Team die Geometrie und stellte sicher, dass der Großteil des Ausgangsmaterials der Stange um einen in den Nasenkegel integrierten Schwingungsdämpfer herum aufgebaut war. Dadurch wurde der Materialverbrauch minimiert und Zeit, Geld und Material gespart.

Der Nasenkegel wurde aus Aluminium-2319-Drahtmaterial hergestellt. Die endkonturnahe Form wurde in der großformatigen 3D-Metalladditivdruckplattform RoboWAAM von WAAM3D hergestellt und während des gesamten Abscheidungsprozesses von ARA und WAAM3D sorgfältig überwacht.

Dr. James Alderman, leitender Aerodynamikingenieur bei ARA, erklärt weiter: „Wir haben uns für die Herstellung eines Nasenkegels mit WAAM entschieden, da wir eine risikoarme Möglichkeit zur Untersuchung der WAAM-Technik wollten: Ein Nasenkegel ist ein relativ unbelastetes Teil mit einer Sicherheit.“ Faktor von etwa 200. Ziel war es, zu sehen, wie sich der Prozess in Bezug auf Zeit-, Kosten- und Materialeinsparungen verhält, und anschließend zu entscheiden, ob höher beanspruchte Komponenten von diesem Produktionsprozess profitieren würden.“

„Nach dem Drucken wurden die kritischen Oberflächen des Nasenkegels – diejenigen, die vom Wind gefegt werden oder aneinander stoßen würden – bei ARA einer Nachbearbeitung und Inspektion unterzogen. Wir haben Oberflächenprofil- und Oberflächentoleranzen von < +- 0,1 mm bzw. Ra < 0,8 Mikrometer festgelegt und diese wurden problemlos erreicht. Wichtig ist auch, dass es während des Bearbeitungsprozesses keine Probleme mit Verzerrungen gab.“

Der Nasenkegel aus Aluminium wurde im Rahmen eines Projekts hergestellt, um die Eignung von Metall-AM für die Herstellung von Windkanalmodellen zu bewerten (Bild: WAAM3D)

Dank ihrer jahrzehntelangen Erfahrung in ihren jeweiligen Bereichen konnten die beiden Organisationen den Materialverbrauch für den Aluminium-Nasenkegel um 74 % reduzieren, was erhebliche Umweltvorteile für andere zukünftige Projekte mit sich bringt.

Bezüglich des Zeitplans und der Kosten sagt Dr. James Alderman: „Dieses Projekt wurde durchgeführt, um den Prozess des Entwurfs für WAAM kennenzulernen und zu erfahren, wie man ihn nachbearbeitet. Deshalb haben wir uns Zeit gelassen. Wir gehen jedoch davon aus, dass WAAM im Vergleich zur Bearbeitung aus einem Aluminiumblock zu Kosteneinsparungen von etwa 5–10 % führen würde und dank der verkürzten Lernkurve schneller umgesetzt werden könnte.

„Der mit WAAM hergestellte Nasenkegel war ein Erfolg, da er die potenziellen Vorteile dieser Technik für die Herstellung von Windkanalmodellkomponenten demonstrierte. Ich sehe WAAM als eine Möglichkeit, unsere Durchlaufzeiten und Kosten zu verkürzen und in Zukunft Materialverschwendung bei anderen Komponenten zu reduzieren.“

Der Nasenkegel wurde erfolgreich in ein Windkanalmodell integriert, das im Transonic Wind Tunnel von ARA getestet wurde. Dieses Projekt zeigt, dass Prototypen mit WAAM schnell – und mit definierten Toleranzen – entwickelt werden können und unter Testbedingungen eine gute Leistung erbringen.

Dr. Filomeno Martina,

Dr. Filomeno Martina war im Juli 2018 Mitbegründer von WAAM3D zusammen mit einem Forschungsteam der Cranfield University, Großbritannien, wo er als leitender Dozent und Forscher tätig war. Zu seinen Erfolgen während seines Studiums gehört die Koordinierung eines 1-Millionen-Euro-EU-Erasmus-Projekts, um an der Cranfield University „den weltweit ersten MSc in Metal AM“ einzurichten.

Er hat an der Ausarbeitung und Koordination mehrerer erfolgreicher Ausschreibungen und Projekte im Wert von mehreren Millionen Pfund mitgewirkt. Während seiner Doktorarbeit und seiner Postdoktorandenarbeit erreichte er mit Legierungen aus Titan, Nickel und Eisen bessere Eigenschaften als beim Schmieden, mit einer jetzt patentierten Kombination aus additiver Fertigung und prozessbegleitender Kaltbearbeitung der Lagerstätte.

Er ist ein regelmäßiger Redner auf WAAM-Konferenzen weltweit und hat über 40 von Experten begutachtete Zeitschriftenartikel verfasst, von denen einige über 1.400 Mal zitiert wurden. Er hat auch an der Ausarbeitung von ASTM- und BSI-Standards für DED und WAAM mitgewirkt. Auf dem Solid Freeform Fabrication Symposium 2022 wurde ihm außerdem der renommierte International Outstanding Young Researcher in Freeform and Additive Manufacturing Award (FAME Jr) verliehen.