Ressourceneffiziente Fertigung großvolumiger Luftfahrtstrukturteile (REGULUS)

Übersicht der Festigkeitsentwicklung von konventionell gefertigten Bauteilen (Standard) mit zugehöriger Mikrostruktur a) über ein Plasma-Arc Verfahren mit feinlamellarer Mikrostruktur b), hin zum  WAAM mit optimierten Prozessparametern c) die eine angepasste, vergröberte Mikrostruktur zur Folge haben.

TiAl6V4 (Ti-64) ist eine der am häufigsten verwendeten Legierungen in der Luft- und Raumfahrt. Strukturteile werden aktuell aus massiven Blöcken gefräst, wodurch bis zu 96% des Materials verloren gehen. In Hinblick auf ökologische Aspekte und um klimapolitische Ziele erreichen zu können, muss auf einen effizienteren Prozess umgestiegen werden. Da die Nachfrage nach Ti-64 zudem steigt, ist dies zukünftig umso wichtiger.

Eine vielversprechende Möglichkeit ist die drahtbasierte additive Fertigung mittels Lichtbogen (WAAM). Mit dieser Technologie wird nicht nur die Bearbeitungszeit und der Energieaufwand verringert, sondern auch der Materialverlust auf 7-20% reduziert. Im Gegensatz zu SLM- oder EBM-Prozessen ist es zudem möglich, mit höheren Auftragsraten zu produzieren und deutlich größere Geometrien abzubilden. Ein weiterer Vorteil ist die Einsparung weiterer Bearbeitungsschritte, wie z.B. dem heißisostatischen Pressen (HIP).

In Zusammenarbeit mit der TU München und den Firmen Aircraft-Philipp, Boeing, Heggemann, Software Factory und Fronius wurden Prüfkörper mit unterschiedlichen Parametern und Prozessgasen hergestellt. Um den hohen Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie gerecht zu werden, muss ein stabiler Prozess entwickelt werden. Dies erfolgt durch die Untersuchung von Parameterstudien mittels quasistatischen und zyklischen Tests, sowie der Analyse der entstehenden Mikrostruktur mittels REM, EBSD, TEM und APT.

Erste Ergebnisse haben bereits bestätigt, dass WAAM mechanische Eigenschaften erreicht, die sehr nahe an den geforderten Werten liegen und somit ein vielversprechender Weg zur Herstellung hochwertiger Titanbauteile ist.

Das Forschungsprojekt REGULUS wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert (Förderkennzeichen 20W1709D) und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. betreut. Hierfür sei herzlich gedankt.