Draht-DED zur Herstellung von Mg-Sonderkomponenten am LKR

In der Luft- und Raumfahrt sind Werkstoffe mit geringer Dichte und hoher Steifigkeit von besonderer Wichtigkeit, um das Gewicht von Strukturkomponenten zu verringern und damit die Nutzlast (Raumfahrt) oder aber die Reichweite (Luftfahrt) zu erhöhen. Magnesiumlegierungen bilden hier eine geeignete Alternative zu Aluminiumlegierungen, je nach technischer Anforderung an Steifigkeit, Tragfähigkeit, Lastkollektiv etc.

Magnesium-Gelenkshalter gefertigt durch das LKR im wDED-Verfahren per CMT.

Magnesium-Gelenkshalter gefertigt durch das LKR im wDED-Verfahren per CMT.

Danksagung...

... an die Europäische Weltraumorganisation (ESA) für die Finanzierung der AZ91PMD-Aktivitäten im Rahmen des ESA-Forschungsauftrages Nr. 4000122896/18/NL/BJ/gp. Weiterer Dank gilt der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) für die Förderung des Forschungsprojektes „Entwicklung von Magnesiumlegierungen und Magnesium-Matrix-Composites für Space-Anwendungen (Element12)“ (FFG-873660).

Bis dato sind nur wenige Magnesiumlegierungen für Gusskomponenten für die Luft- und Raumfahrt zertifiziert (AZ91, WE43, ME21). Magnesium-Knetlegierungen sind überhaupt nur für hochpreisige Spezialkomponenten oder aber in Nischenanwendungen im Einsatz.

Plasma Metal Deposition (PMD) wie auch Wire-Arc Additive Manufacturing (WAAM) sind fortschrittliche, aufstrebende additive Fertigungstechniken, die zur Gruppe der Direct Energy Deposition (DED)-Technologien gehören und Lichtbögen als Energiequelle für das Schmelzen von Drahtmaterialien mit hohen Abschmelzleistungen verwenden. Die Anwendung von PMD- wie auch WAAM-gefertigten Komponenten aus Mg-Legierungen in der Luft- und Raumfahrt ist vorteilhaft, da sie die Realisierung integraler, komplexer und großflächiger Strukturen bei niedrigen Stückzahlen wirtschaftlich und nachhaltig ermöglicht. Das LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen und RHP-Technology führten in den vergangenen drei Jahren zwei Entwicklungsprojekte durch, die sich einerseits auf die Entwicklung und Untersuchung von neuartigen Magnesiumlegierungen für drahtbasierte DED-Methoden fokussierte (FFG-Projekt ELEMENT12) und andererseits mit der Anwendbarkeit und Demonstration der drahtbasierten DED-Methoden unter Nutzung der Magnesiumlegierung AZ91-E beschäftigte (ESA-Projekt AZ91PMD).

Magnesium-Gelenkshalter gefertigt durch das LKR im wDED-Verfahren per CMT nachbearbeitet.

Magnesium-Gelenkshalter gefertigt durch das LKR im wDED-Verfahren per CMT nachbearbeitet.

Dr. Stephan Ucsnik
Senior Engineer, Thematic Coordinator Wire-based AM, am LKR Ranshofen GmbH

„Es konnte gezeigt werden, dass Direct Energy Deposition von Magnesium im wDED-Verfahren porenfrei möglich ist, bei einer Performance, die gleich oder aber sogar höher ist, als klassische Magnesium-Gießverfahren es erlauben.“

Projekt ELEMENT12

Ähnlich wie bei Aluminium gibt es zurzeit keine marktverfügbaren Magnesiumdrähte, die spezifisch auf den DED-Prozess eingestellt sind. Daher muss man sich entweder mit marktverfügbaren Drähten (z.B. AZ31 oder AZ61) begnügen oder aber Drähte im Kleinmengenformat herstellen, wie dies in jüngster Vergangenheit durch das LKR in unterschiedlichen Projekten gezeigt worden ist. Im Projekt ELEMENT12 wurde der Aufgabe nachgegangen, bekannte hochperformante Magnesiumlegierungen wie AZ91 Grade C/D/E, WE43 oder aber auch speziell modifizierte Legierungen (Calcium, Yttrium, partikelverstärkt, …) herzustellen, im wire-DED-Verfahren zu verarbeiten (unter Nutzung von PMD® sowie dem Cold-Metal-Transfer-Schweißverfahren (CMT)) und das Abschmelzverhalten sowie die mechanische Traglast der Werkstoffe hergestellt durch PMD wie auch CMT zu bestimmen. Anhand einer ausgewählten Legierung wurde final auch ein Gelenkshalter einer Luftfahrt-Anwendung als Demonstrator per wDED und CMT durch das LKR gefertigt.

Stützstruktur eines Instrumenten-Covers, das von Beyond Gravity Austria entwickelt wurde.

Stützstruktur eines Instrumenten-Covers, das von Beyond Gravity Austria entwickelt wurde.

 Einzeldemonstrator.

Einzeldemonstrator.

Mittels PMD® gefertigter Enddemonstrator aus Magnesium AZ91-E.

Mittels PMD® gefertigter Enddemonstrator aus Magnesium AZ91-E.

Mittels PMD® gefertigter Enddemonstrator aus Magnesium AZ91-E.

Mittels PMD® gefertigter Enddemonstrator aus Magnesium AZ91-E.

Mechanische Performance von verschiedenen Magnesiumlegierungen verarbeitet im wire-DED-Verfahren.

Mechanische Performance von verschiedenen Magnesiumlegierungen verarbeitet im wire-DED-Verfahren.

Projekt AZ91PMD

Komplementär zu Projekt ELEMENT12 wurde gemeinsam mit ESA das Projekt AZ91PMD durchgeführt, dessen Inhalt es war, die raumfahrtzugelassene Magnesiumlegierung AZ91-E im wDED-Verfahren zu verarbeiten, in Bezug auf Mechanik und Korrosionsverhalten zu untersuchen und final einen herausfordernden, komplexen und skalierten Demonstrator per PMD-Verfahren herzustellen. Dafür wurden ausgewählte Demonstrator-Komponenten im Rahmen des Projektes gefertigt, mechanisch grundcharakterisiert und auch unter weltraumähnlichen Lasten thermisch zykliert.

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