Ascent AM – Simulation des Laserstrahlschmelzens von Triebwerkskomponenten

Das Ziel des Forschungsprojekts Ascent AM ist die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs, mit dessen Hilfe der additive Fertigungsprozess von z. B. Triebwerksbauteilen analysiert und verbessert werden kann. Die Förderung des Vorhabens erfolgt im Rahmen des europäischen Verbundvorhabens „CleanSky“, das die Steigerung der Ressourceneffizienz in der Luftfahrt zum Ziel hat.

Motivation

Auch in Zukunft ist mit einem weiteren Anstieg des weltweiten Flugverkehrs zu rechnen, was mit einer insgesamt erhöhten Schadstoffemission einhergehen wird. Um neben der Reduktion der Umweltbelastungen auch eine Senkung der Betriebskosten zu erreichen, ist die Entwicklung neuer Flugmotoren mit geringerem Verbrauch eine mögliche Lösung. Hierzu können leichtere Triebwerksteile einen Beitrag leisten. Um die Masse der Bauteile bei gleichzeitiger Gewährleistung der geforderten Eigenschaften weiter zu senken, sind jedoch meist komplexe Strukturen erforderlich. Strahlschmelztechnologien sind in der Lage, diese im Schichtbauverfahren zu erzeugen.

Zielsetzung

Bei den metallbasierten additiven Fertigungsverfahren bestimmen eine Vielzahl an Faktoren die Prozesssicherheit sowie die Bauteilqualität. Daher wird in der wirtschaftlichen Praxis heute die optimale Fertigungsstrategie häufig durch zeit- und ressourcenintensive Experimente ermittelt. Um eine Produktion der Treibwerksbauteile mit minimalem Ausschuss und ohne aufwändige, vorangehende Versuchsreihen zu erreichen, soll in diesem Forschungsprojekt ein Simulationswerkzeug entwickelt werden, das den Fertigungsprozess der eigentlichen Produktion vorgelagert kostengünstig und zeitsparend verbessern kann. Dies kann zum Beispiel durch eine bauteilbereichsspezifische Anpassung von Prozessparametern auf Basis einer Analyse des Temperaturfeldes geschehen.

Vorgehen

Anfänglich wird eine rechenzeiteffiziente Bauteilsimulation eines additiven Fertigungsprozesses mittels einer auf Open-Source-Software basierenden Simulationslösung angestrebt. Dabei ist eine geeignete Vordeformation des Bauteils auf Basis von CAD-Daten für den Fertigungsprozess zu berechnen, um die ursprüngliche Bauteilgeometrie derart an den jeweiligen Prozess anzupassen, dass nach der Fertigung die vorgegebenen Toleranzen erreicht werden. Die dabei entwickelte Software hat den Vorteil, dass diese einen breiten Einsatz durch keine bzw. geringe Lizenzkosten ermöglicht. Die resultierende Bauteilgeometrie des simulierten Fertigungsprozesses wird durch iterative Simulationsschritte soweit angepasst, bis eine möglichst optimale Sollgeometrie resultiert. Die daraus resultierende, vordeformierte Bauteilgeometrie wird im Anschluss an die jeweilige Anlage transferiert und gefertigt.

Ergebnisse

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes soll ein Simulationswerkzeug entstehen, das in der Lage ist alle verzugsrelevanten Prozessschritte eines realen Fertigungsprozesses abzubilden. Das Tool soll dabei im Bauteil auftretende Temperaturfelder und die dadurch hervorgerufenen Verformungen sowie Eigenspannungen mit ausreichender Genauigkeit berechnen. Des Weiteren soll die Simulation als simulationsgestützte Optimierung dienen, welche auf Basis der Fertigungsdaten zur Kompensation fertigungsbedingter Maßhaltigkeitsabweichungen beiträgt. Dabei werden Belichtungsstrategien sowie das Spannungsarmglühen des Bauteils berücksichtigt. Es sollen gezielt die resultierenden Deformationen des Bauteils berechnet und dem jeweiligen Bauteil vorgehalten werden. Das gesamte Berechnungsmodell soll in einer Open-Source-Umgebung entwickelt werden und in der Luftfahrt- bzw. Triebwerksbranche Einsatz finden. Des Weiteren soll das Simulationswerkzeug aktiv in den Entwick-lungsprozess eines Unternehmens in der Luft- und Raumfahrtindustrie etabliert werden. Dafür werden geeignete Schulungen durchgeführt.

Danksagung

Dieses Projekt hat eine Finanzierung durch das „Clean Sky 2 Joint Undertaking“ erhalten, welches im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms der Europäischen Union „Horizon 2020“ unter Finanzhilfevereinbarung Nr. 714246 initiiert wurde.

Laufzeit 08/2016 - 01/2020
Projektpartner MTU Aero Engines AG
Förderer EU Clean Sky 2