Aus 10.000 AM-Teilen werden Vollteile

General Atomics Aeronautical Systems, Inc. (GA-ASI) ist ein führender Entwickler und Hersteller von ferngesteuerten Flugzeugsystemen (RPA). In einem Vortrag auf der AMUG 2023-Konferenz – einer der fesselndsten unter mehreren großartigen Präsentationen – enthüllte Steve Fournier, Abteilungsleiter für additive Fertigung bei GA-ASI, genau, wie tief das Engagement von GA-ASI für AM reicht, von Polymer (FDM, SLS) bis hin zu Metall (L-PBF, DED-W) bis hin zu Verbundwerkzeugen (LSAM, BJP). Der nächste Schritt ist die vollständige Workflow-Integration durch eine Zusammenarbeit mit den Experten und Pionieren von Divergent, um deren DAPS-Funktionen zu implementieren. „Die Zukunft von AM“, sagte Fournier, „ist vielversprechend.“

Im Jahr 2021 gründete General Atomics Aeronautical Systems ein neues Kompetenzzentrum für additives Design und Fertigung (AD&M). Der Schwerpunkt des Zentrums liegt auf der reaktionsschnellen Fertigung der unbemannten Flugzeugsysteme (UAS) von GA-ASI unter Verwendung voll funktionsfähiger und flugbereiter additiver Fertigungsanwendungen, Forschung und Entwicklung, Großwerkzeugen und Flughardware der nächsten Generation.

Im letzten Jahrzehnt hat GA-ASI in die Einführung von AM-Technologien investiert und vor fünf Jahren die Gründung und das schnelle Wachstum einer eigenen Abteilung vorangetrieben. Fournier erklärte, dass sich die Zentralisierung der AM-Aktivitäten als starker Katalysator für die AM-Einführung erwiesen habe und zu erfolgreichen Initiativen in den Bereichen AM-Technologieeinführung, Anwendungsindustrialisierung, Herstellung von Flughardware, Risikoreduzierung für Forschung und Entwicklung sowie Wissenstransfer geführt habe.

GA-ASI hat über 350 Flugkomponenten für die verschiedenen AM-Modalitäten qualifiziert, die für die Produktion verwendet werden. Um flugfähige AM-Anwendungen zu entwickeln und zu qualifizieren, erweitert das Unternehmen sein AM-Ökosystem, das aus den Schlüsselelementen besteht, die erforderlich sind, um eine AM-Anwendung von der Prototypenphase (einmal richtig drucken) in die Produktionsphase (immer richtig drucken) zu bringen ).

Herr Fournier gab bekannt, dass GA-ASI mittlerweile etwa 7.500 Teile pro Jahr additiv herstellt. Insgesamt hat das Unternehmen bei seiner neuesten UAS-Plattform, dem MQ-9B SkyGuardian, über 2 Millionen US-Dollar an Werkzeugkosten und über 300.000 US-Dollar pro Flugzeug an der Vermeidung wiederkehrender Kosten eingespart (bei etwa 240 AM-Teilen auf dieser Flugzeugplattform). Die Zahl der AM-Anwendungen wächst weiterhin rasant, angetrieben durch das AM-Ökosystem, mit mehr als 10.000 additiv gefertigten Komponenten in den von ihm hergestellten Flugzeugen. Insbesondere die Modelle MQ-9B SkyGuardian und SeaGuardian sind branchenweit führend bei der Verwendung von AM-Teilen. Insgesamt haben AM-Komponenten bereits über 300.000 kombinierte Flugstunden absolviert.

„GA-ASI sucht ständig nach Möglichkeiten, additive Fertigungstechnologien zu ermöglichen, zu beschleunigen und in unsere Designs, unsere Abläufe und unsere Produkte zu integrieren“, erklärte GA-ASI-Präsident David R. Alexander. „Über unser AD&M Center of Excellence nutzen wir einen strukturierten und strengen Qualifizierungsprozess für AM-Anwendungen, der für uns einen positiven Geschäftsvorteil gegenüber herkömmlichen Fertigungsmethoden liefert. Durch einen umfassenden und ganzheitlichen Ansatz arbeitet unser Team aus AM-Experten daran, die Akzeptanz von AM-Teilen zum Nutzen unserer Flugzeuge und letztendlich unserer Kunden zu erhöhen.“

Das AM-Ökosystem von GA-ASI hat die Weiterentwicklung des wiederholbaren und zuverlässigen 3D-Drucks in Produktionsqualität innerhalb des Unternehmens ermöglicht, aber das ist nicht so einfach, wie es scheint. Das grundlegende Ökosystem für AM bei GA-ASI basiert auf einem Dutzend verschiedener Elemente, die von materiellen Zuschüssen und Äquivalenzen bis hin zu F&E- und CapEx-Finanzierung reichen.

Ergänzt wurde dies durch ökosystemgesteuerte Prozesse, den Aufbau eines Anwendungsteams und eine klar definierte Expansions-Roadmap. GA-ASI führt einige wiederkehrende Produktionsaktivitäten in seinem AD&M Center of Excellence durch, aber die Nachfrage nach schneller Reaktion und Fertigung mit niedrigen Produktionsraten erforderte die Entwicklung einer starken AM-Fertigungslieferkette für die Überlaufproduktion komplexer Thermoplaste und Metalle für den Endverbrauch Teile.

Fournier erklärte: „Die Tiefe des AM-Ökosystems ist für jede AM-Anwendung spezifisch und wird durch [Aspekte wie] die Missionskritikalität der Anwendung, Qualifikationsanforderungen der Lufttüchtigkeitsbehörde, Verfügbarkeit von Qualitätssicherung/Prozesskontrolle und Anwendungserfolgsbilanz bestimmt.“

Genauer gesagt beginnt der Einsatz von AM im Produktlebenszyklus von GA-ASI sehr früh, noch bevor das Produkt überhaupt konzipiert ist. Auf der Ebene der reinen Geschäftsanalyse hilft es, den P-Gewinn zu steigern. In der Konzeptphase hilft es, die Markteinführungszeit zu beschleunigen. In der Designphase ermöglicht es zudem eine hohe Integration. Beim eigentlichen Prototyp ermöglicht es eine werkzeuglose Fertigung. Wenn es an der Zeit ist, in die Produktion einzusteigen, spielt AM eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung der Kosten für LRIP (Low-Rate Initial Production), auch durch werkzeuglose Fertigung und hohes Maß an Integration. Bei vielen Produkten von GA-ASI werden diese Vorteile weiterhin im vollen Produktionsmaßstab genutzt, was zu einer verbesserten Systemverfügbarkeit und insbesondere zur Erhaltung bestehender Produkte während ihres Lebenszyklus führt. Je höher die Integration und Teilekomplexität, desto klarer wird das Wertversprechen des AM. Heute macht AM etwa 1 % der Stückliste (BOM) aus: Ziel ist es, auf größeren Plattformen auf 5 % der Stückliste und auf kleinen UAS auf bis zu 30 % bis 90 % der Stückliste zu wachsen.

Worauf kommt es im Hinblick auf die Art der produzierten AM-Teile an? Betrachtet man Polymer-AM-Technologien, die ausschließlich auf Thermoplasten basieren, wird FDM hauptsächlich zur Teilekonsolidierung und -substitution eingesetzt. Das bedeutet, Laminatteile auszutauschen, große konforme Luftmanagementsysteme, Laminierwerkzeuge und angepasste Bodenkontrollgeräte zu schaffen. Zukünftige Anwendungen werden kraftstoffkompatible (d. h. chemisch resistente) Materialien sowie endlosfaserverstärkte 3D-gedruckte Teile für Metallersatzanwendungen umfassen.

Polymer-PBF-Anwendungen (derzeit nur SLS) umfassen auch die Umwandlung von Laminatteilen und nutzen gleichzeitig die größere geometrische Freiheit der Technologie für komplexe Verteiler, konforme Werkzeuge und große Kanalbaugruppen. Die zukünftige Entwicklung wird sich auf immer größere Baugruppen konzentrieren. Eine besonders interessante Anwendung ist die Zusammenarbeit mit Hexcel zur Nutzung der HexAM-Technologie für das selektive Lasersintern von PEKK-basierten Verbundwerkstoffen (ursprünglich entwickelt von Oxford Performance Materials) für die Herstellung von Außen- und Innenformlinien (OML und IML). Die durch AM ermöglichten komplexen Geometrien ermöglichten Designfreiheit und einen einfacheren Herstellungsprozess, um die Leistung und den Betrieb von UAV-Systemen zu verbessern.

Bei Metallen wird LPBF in erster Linie auch als Lösung für die Teilekonsolidierung und -substitution gesehen, mit Anwendungen bei der Umwandlung von Laminat in AM, integrierten Flüssigkeitsverteilern, OML-Verkleidungen (Outer Mold Line) sowie Motor- und Abgaskomponenten. Eine weitere sehr interessante Anwendung sind integrierte Wärmetauscher (HX). GA-ASI arbeitete mit Conflux Technology an der Entwicklung und Herstellung eines neuen Heizölwärmetauschers (FOHE) für seine MQ-9B SkyGuardian und SeaGuardian. Insgesamt haben die beiden Unternehmen seit 2018 an vier verschiedenen AM-Projekten gearbeitet und zuletzt einen Kühlplattenwärmetauscher entwickelt, der zusätzliche Kühlkapazität für die Line-Replaceable Unit (LRU) mit hoher Verlustleistung bereitstellt, die in verschiedenen UAS-Plattformen von GA-ASI verwendet wird. Der Weg in die Zukunft für Metall-L-PBF-Anwendungen besteht in größeren Konsolidierungen, integrierten Kardanringen und mehr Weltraumanwendungen.

Die Metall-DED-Technologie, die Draht als Ausgangsmaterial verwendet, gilt als potenzieller Schlüsselfaktor für die Herstellung großer Teile zu deutlich reduzierten Kosten. GA-ASI hat in Zusammenarbeit mit Norsk Titanium an der Vervollständigung der AM-Ökosystemqualifizierung für Titan-Komponenten der Klassen A und B und an der Lieferantenqualifizierung gearbeitet. Zu den weiteren DED-Partnern gehört Lincoln Electric für Anwendungen mit Schwerpunkt auf komplexen INVAR- und Stahllaminierwerkzeugen. Zukünftiges Wachstum zielt auf weitere Inconel-Anwendungen ab.

Viele aktuelle AM-Anwendungen bei GA-ASI (hauptsächlich für den Werkzeugbau) konzentrieren sich auch auf großformatige 3D-Drucktechnologien sowohl in Verbundwerkstoffen (LSAM) als auch in Sand (Binder Jetting). LSAM-Teile, wie sie beispielsweise von Thermwood hergestellt werden, werden für RT-Mühlenvorrichtungen für Verbundlaminat, aber auch für einige große Endverbrauchsbaugruppen verwendet, beispielsweise für Bodenanwendungen mit einer Länge von bis zu fünf Metern. Zukünftig könnte die Größe dieser Teile auf Längen von sechs bis 13 Metern anwachsen. Sand-Binder-Jetting-Systeme werden eingesetzt, um bis zu zwei- bis dreifache Kosteneinsparungen bei der Werkzeugbestückung und beim Auswaschen zu erzielen, mit dem zukünftigen Ziel, Master und zunehmend kundenspezifische Drucker zu erstellen, die spezifische Anforderungen erfüllen.

Wie jeder, der mit AM zu tun hat, sehr gut weiß, ist die Implementierung eines vollständig digitalen End-to-End-Fertigungsprozesses, der AM im Kern einbezieht, voller Herausforderungen, die noch gemeistert werden müssen. Der Arbeitsablauf muss mit dem Funktions-/AM-/Montageentwurf beginnen, sich über den Druck und die Endbearbeitung fortsetzen, zur schnellen Teileprüfung und Qualität übergehen und schließlich die Prozessintegration implementieren, um eine vollständige Automatisierung zu erreichen.

Um viele dieser Herausforderungen anzugehen, ist GA-ASI eine offizielle Partnerschaft mit Divergent Technologies, Inc. eingegangen. Das Unternehmen hat einen datengesteuerten Ansatz für die Konstruktion, Herstellung und Montage von Fahrzeugstrukturen entwickelt, der als Divergent Adaptive Production System (DAPS) bezeichnet wird. GA-ASI möchte diese Fähigkeit nun qualifizieren und auf einigen seiner UAS-Plattformen implementieren.

Das gemeinsame Entwicklungsprogramm begann im Jahr 2022 und führte zu einer stärkeren strategischen Partnerschaft auf mehreren Plattformen. Die Unternehmen haben bereits zwei Projekte abgeschlossen, die zu einer vollständig integrierten kleinen (<500 lbs.) UAS-Flugzeugstruktur führen und dabei modellbasierte, KI-gesteuerte und topologieoptimierte Designs nutzen. Die integrierte Metallstruktur wurde 3D-gedruckt (mit Druckzeiten von weniger als 13 Stunden pro Knoten), was zu einer Reduzierung der integrierten Teileanzahl um über 95 % bei gleichzeitiger Einhaltung der Gewichtsziele führte.

Der DAPS-Prozess prüfte jede gedruckte Komponente, indem er einen vollständigen digitalen Zwilling des kleinen UAS (SUAS) erstellte, der dann in einem vollautomatischen, werkzeuglosen Robotermontageprozess angewendet wurde, der weniger als 20 Minuten dauerte. Dieser Prozess ermöglichte es dem Team, in weniger als zwei Tagen von einem druckfertigen SUAS-Design zu einer vollständig montierten, lieferbaren Flugzeugzelle zu gelangen. GA-ASI geht davon aus, dass diese Fähigkeit in Zukunft eine schauplatznahe Rampenkapazität zur Unterstützung des Kampfflugzeugs ermöglichen wird.

Dieser innovative Design- und Herstellungsansatz führt zu hochintegrierten, gewichts- und leistungsoptimierten Designs, die natürlich, aber nicht ausschließlich, AM-Technologien zu wesentlich geringeren wiederkehrenden Flugzeugzellenkosten nutzen und gleichzeitig einen schnellen, werkzeuglosen iterativen Designansatz für mehrere Plattformvarianten bieten . „AM ist für Verteidigungs- und zivile UAS auf industrieller Produktionsebene möglich, wenn ein geeignetes Ökosystem auf die AM-Nutzung angewendet wird“, schloss Fournier. „Allerdings sollte AM nicht das Endziel sein, sondern vielmehr eine unterstützende Technologiesuite, die einen vollständig digitalen Fertigungsprozess-Workflow unterstützt.“ .“