Laser-Materialbearbeitung und Strukturbewertung

Projekte:

Aluminium Atomization for Additive Manufacturing

Im Vordergrund des 3AM-Projektes steht die Entwicklung einer Prozesskette bestehend aus Pulververdüsung und nachfolgender Verdichtung des Pulvers mittels Selective Laser Melting (SLM) oder Laser Metal Deposition (LMD). Das zu verdüsende Ausgangsmaterial besteht aus AlMg bzw. AlSi. Der Herstellung und Verarbeitbarkeit des Pulvers in AM-Prozessen wie SLM oder LMD kommt daher eine übergeordnete Bedeutung zu. Additive Fertigungsverfahren mit ihrer herausragenden Materialeffizienz werden sich nur dann durchsetzen, wenn es geeignete Materialien für sie gibt und diese kosteneffizient hergestellt werden können. Die derzeit lange Entwicklungsdauer von geeigneten und optimierten Aluminiumlegierungen für die additive Fertigung soll verkürzt werden, um Aluminium als einen der wichtigsten Leichtbau-Werkstoffe zu etablieren. Das 3AM-Projekt wird durch die Investitions- und Förderbank Hamburg (IFB) gefördert. Während der Beantragungsphase war u.a. zu zeigen, dass die zu entwickelnde Prozesskette insgesamt eine günstige CO2-Bilanz aufweist. Die Abteilung Laser-Materialbearbeitung und Strukturbewertung (WMF) legt in diesem Projekt ihren Fokus auf die werkstoffmechanische und mikrostrukturelle Charakterisierung der Pulverteilchen und AM-Strukturen.

Projektlaufzeit: 01.05.2020 – 30.06.2022

Partner: Fehrmann Alloys GmbH & Co.KG, (Koordinator), Fraunhofer Einrichtung für Additive Produktionstechnologien (IAPT), Helmholtz-Zentrum Geesthacht

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Abteilungsleiter Laser-Materialbearbeitung und Strukturbewertung

Dr. Nikolai Kashaev

Institut für Materialforschung

Max-Planck-Straße 1
21502 Geesthacht

Tel: +49 (0)4152 87 2536

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Development and demonstration of an autonomous forming and straightening process using Laser-Peen-Forming

Im Verbundprojekt PEENCOR wird ein „Laser-Peen-Forming (LPF)“-Prozess entwickelt, welcher das Nachrichten von gekrümmten Flugzeugbauteilen aus Titan ermöglicht. Der Prozess soll dazu in der Lage sein, in vorherigen Fertigungsschritten aufgetretene komplexe Abweichungen der Bauteilgeometrie zu ermitteln und mittels LPF automatisch zu korrigieren, um so den Ausschuss zu reduzieren und sich einen Wettbewerbsvorteil zu sichern. Um das LPF industriell anwenden zu können, ist es notwendig, dass der Prozess autonom abläuft, sodass die Prozessparameter und Eigenspannungsprofile nicht für jedes Bauteil neu analysiert und berechnet werden müssen. Das Einzelvorhaben “Entwicklung von optimalen Prozessparametern sowie Identifikation eines KI-Algorithmus für autonomes Umformen und Richten mittels Laser-Peen-Forming“ wird durch den Verbundpartner Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) bearbeitet. Das PEENCOR-Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des LuFo VI-1-Programms gefördert.

Projektlaufzeit: 01.05.2020 – 30.04.2023

Partner: ZAL Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung GmbH (Koordinator), FormTech GmbH, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Leuphana Universität Lüneburg

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Forming of micro-perforated outer skin of HLFC wings assisted by FEM simulation

Eine der größten Herausforderungen bei der Konstruktion von Tragflächen mit Hybrid-Laminar-Flow-Control (HLFC) besteht darin, HLFC-Systeme (Vakuumkammern, Rohrleitungen usw.) zusammen mit Enteisungs- und Hochauftriebssystemen im kleinen Raum entlang der Vorderkante von Tragflächen zu integrieren. Ein HLFC-System dient der Steuerung von laminaren Strömungen und ist eine Technik zur aktiven Widerstandsreduzierung. Das Europäische Clean Sky 2-Programm verfolgt u.a. das Ziel, die Komplexität von HLFC-Systems durch variable Mikroperforation entlang der Außenhaut von Tragflächen zu reduzieren, um die Absaugung ohne die Notwendigkeit einer internen Kammerung zu steuern. Der Effekt der Mikroperforation besteht darin, dass damit die laminare Strömung verlängert wird. Um dieses Ziel zu erreichen, wird im Rahmen des MICROFORM-Projektes i) ein geeignetes Umformverfahren für die Herstellung von HLFC-Tragflächenbeplankung mit Vorderkante (Außenhaut) im realen Maßstab entwickelt und ii) unterstützende Simulationswerkzeuge entwickelt, um die anfänglichen Prozessentwicklungskosten für große Strukturen mit konstanten oder variablen Mikroperforationsmustern zu minimieren und die geforderten Qualitätskriterien sowie Maßtoleranzen zu erfüllen. Mit der neuen Generation von HLFC-Strukturen können sowohl der Treibstoffverbrauch als auch die Schadstoffemission zukünftiger Flugzeige um 10 % reduziert werden. Das MICROFORM-Projekt wird von einem Konsortium aus Industrie und Forschung durchgeführt, in welchem die relevanten Simulationswerkszeuge (LORTEK, HZG) und Umformtechnologien (SOFITEC, FORMTECH) entwickelt werden. Das HZG ist für das Arbeitspaket “Development of a precise finite element models (FEM) simulation tool for stretch forming of variable microdrilled Titanium CP40” verantwortlich. Das Projekt wird durch die gemeinsame Technologieinitiative Clean Sky 2 (CS2 JTI) gefördert, die eine öffentlich private Partnerschaft zwischen Europäischen Kommission und der Industrie darstellt.

Projektlaufzeit: 1.5.2020 – 31.12.2022

Partner: Lortek S Coop (Koordinator), FormTech GmbH, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Sofitec Aero SL,

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Aluminium-Legierungen für die laseradditive Fertigung

Im ZIM-Kooperationsprojekt ALaF werden neue High-Tech-Aluminiumlegierungen für die pulver-basierten laseradditiven Verfahren entwickelt. Die zu entwickelnden High-Tech-Aluminiumlegierungen sollen gute Verarbeitbarkeit mit pulver-basierten laseradditiven Verfahren, eine hohe spezifische Festigkeit sowie gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Hierbei sollen sich die neuentwickelten Legierungen insbesondere durch eine höhere Festigkeit und Bruchdehnung gegenüber den derzeit verwendeten Standard-AlSi-Legierungen unterscheiden. Zu diesem Zweck soll bei der Legierungszusammensetzung auf kostenintensive Legierungselemente wie Scandium verzichtet werden. Das Pulver wird durch einen geeigneten Pulververdüsungsprozess hergestellt. Durch die anschließende Charakterisierung der Pulvereigenschaften und Erprobung an zwei verschiedenen pulverbasierten laseradditiven Fertigungsverfahren, dem selektiven Laserschmelzen und dem Laserauftragsschweißen, sollen die Materialien weiter optimiert werden. Die Optimierung soll in Konjunktion mit dem Fertigungsverfahren erfolgen.

Partner: Fehrmann GmbH (Koordinator), Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Einrichtung für additive Produktionstechnologien (IAPT)

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Development of advanced Laser based technologies for the manufacturing of Titanium HLFC structures

World air traffic volume is expected to double in the next 15 years and therefore the reduction of air transport contribution to climate change is nowadays one of the most important objectives for aircraft manufacturers. The reduction of environmental impact requires a continuous improvement in aircraft efficiency, which depends on the use of lightweight structures and efficient aerodynamics, among others. Hybrid Laminar Flow (HLFC) on wing and fin is one of the potential ways to enhance the efficiency of the aircraft and to achieve up to 10% of fuel saving in commercial passenger aircrafts. A design approach for HLFC structure is made of a perforated skin sheet which is stiffened by stringers. This structure is produced by joining parallel aligned stringers to laser micro-drilled thin skin. Afterwards, a straightening process is necessary to achieve the flatness requirements. DELASTI aims at the
development of (i) process and ii) system technology for reproducible laser welding and straightening of large titanium panels for HLFC structures, which shall iii) be assisted by an FE-based procedure focused on the prediction of 3D deformation and residual stresses. A revolutionary approach is sought which implies the use of one laser source as the only production means, in order to get the whole process in a single production stage. The project is co-funded by the Clean Sky 2 Joint Technology Initiative (CS2 JTI) which is a Public-Private Partnership between the European Commission and industry.

Partner: Lortek S Coop (Koordinator), Airbus Deutschland GmbH, Helmholtz-Zentrum Geesthacht

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Laserstrahlschweißen von hochfesten Aluminium Legierungen für Luftfahrtanwendungen

Im Rahmen des europäischen Luftfahrtforschungs-Programm Clean Sky wird im Forschungsprojekt LAWENDEL das Laserstrahlschweißen einer neuen Aluminium-Lithium-Legierung (AA2198-T8, AA2196-T8) mit dem Ziel untersucht, geeignete Prozessparameter und –bedingungen zu entwickeln, welche die Herstellung von fehlerfreien Laserschweißnähten in dieser Legierung gewährleisten soll.
Mit dieser Legierung könnten, im Vergleich mit den heute im Flugzeugbau eingesetzten Legierungen, nochmal bis zu zehn Prozent Gewicht eingespart werden.
Die entwickelten Prozesstechnologien werden für das Schweißen von Leichtbau-Demonstratoren im Original-Maßstab hochskaliert.

Partner: Helmholtz-Zentrum Geesthacht (Koordinator), University of Manchester

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Superplastische Umformung von Titanwerkstoffen bei niedrigen Temperaturen

Durch den Einsatz einer neuen Variante der Titanlegierung Ti 6Al 4V mit extrem feinkörnigeren Gefüge ergibt sich ein enormes Potential zur Optimierung des Prozesses, da Prozesstemperaturen und Prozesszeiten gesenkt werden können. Dadurch soll eine deutliche Reduktion der Bauteilkosten bei gleichzeitiger Verbesserung der Umweltbilanz umgesetzt werden.
Die heute übliche Fertigung von Titanbauteilen verursacht hohen Zerspanungsverlust. Super-plastisches Formen bietet für viele Teile die Möglichkeit, das Ausgangsmaterial unmittelbar in die Endform zu bringen und Material einzusparen. Hierzu werden Bleche bei ~950°C pneumatisch in ein Werkzeug gedrückt. Nach Umrissbearbeitung und chemischem Abtragen der entstandenen Oxidschicht ist das Teil fertig. Durch Einsatz der feinkörnigen Variante von Ti 6Al 4V können die Umformtemperatur und -dauer deutlich reduziert und die Oxidschicht vermieden werden. Die umweltbelastende chemische Nachbehandlung entfällt, der Energieeinsatz je Bauteil wird reduziert. Außerdem können niedriger legierte, kostengünstigere Werkzeugwerkstoffe eingesetzt werden.

Partner: FormTech GmbH (Koordinator), Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Heggemann AG, Access e.V.

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Extrapolation and technical and economic study of a Laser Beam Welding technology

Recent developments in the metallurgical field offer now laser weldable Al-alloys of the 2xxx series such as 2198 (Al-Cu-Li) with high structural efficiency index due to their high strength and low density. In the present project, butt and T shape welds from third generation Al-Li aluminum alloys will be manufactured with the available in-house laser beam welding facilities. Upon on the information gained in the project and in-house experience of the manufacturer a large, typical aeronautical structure with stiffeners will be manufactured and exploited in this project. A similar structure will be manufactured by the Topic Manager with the conventional riveting process. The projects aim to document the two processes (LBW and riveting), calculate the manufacturing costs of both structures, perform mechanical tests on the structures and finally compare the two structures in terms of the mechanical performance to manufacturing cost index. Besides cost, the environmental footprint of the two different structures will be calculated, as well the extrapolation of the LBW process from Laboratory to Industrial environment.
The project is co-funded by the Clean Sky Joint Technology Initiative (CS JTI) which is a Public-Private Partnership between the European Commission and industry following Article 171 of the Treaty.

Partner: University of the Aegean (Koordinator), Hellenic Aerospace Industry S.A., Helmholtz-Zentrum Geesthacht

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Werkstoff- und kostensparende Titanverarbeitungsverfahren und Neugestaltung der Fügezone CFK-Ti als Hybridstruktur zur Verbesserung von Lastübertragung und Lebensdauer

Das Projekt wird im Rahmen des Luftfahrtclusters der Metropolregion Hamburg gefördert. Optistruct beschäftigt sich mit dem Einsatz kosten- und ressourcenschonender Titanverarbeitungsverfahren, sowie neuer Fügeverfahren zwischen CFK und Titan.
Ziel des Projekts ist die Ermittlung des Optimierungspotentials durch eine alternative Prozessroute zur Herstellung integraler Ti-Strukturen sowie die intelligente Neugestaltung der Schnittstelle Titan-CFK hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit und die Herstellung geeigneter Labormuster, um die industrielle Umsetzbarkeit des vorgeschlagenen Neudesigns zu validieren.

Partner: FormTech GmbH (Koordinator), Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Hein & Oetting Feinwerktechnik GmbH

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