Neugestaltung des Airbus Air Separators

Nach 68 Stunden war es so weit, der neue design- und fertigungsoptimierte Air Separator war bereits beim ersten Mal erfolgreich additiv hergestellt worden.

Andreas Solbach
Senior Application Engineer - Aviation & Space bei Nikon SLM Solutions AG

„Die Fertigung großer Leichtbaukomponenten zu wettbewerbsfähigen Preisen erfordert Multi-Laser-Belichtungsstrategien. Nikon SLM entwickelt diese seit über einem Jahrzehnt und ermöglicht die Fertigung komplexer Bauteile, mit branchengerechter Qualität.“

Ende 2023 kamen Ingenieure des Airbus Standorts Bremen und von Nikon SLM Solutions aus Lübeck zusammen, um die Möglichkeit der Additiven Fertigung eines neu zu gestaltenden Air Separators mit Abmaßen von ca. 600 x 600 x 600 mm zu diskutieren. Dessen Optimierung und Fertigbarkeit sollte innerhalb einer internen Forschungs-Fallstudie untersucht werden. Nun fehlte nur noch ein Partner für das optimierte Re-Design des Air Separators, um das Projekt-Konsortium zu vervollständigen. Aufgrund der weitreichenden Expertise auf diesem Feld kam schon bald die Hexagon-Gruppe ins Gespräch, die über ihr Büro in Hamburg schließlich das Trio als Software- und Messtechnik-Partner komplettierte.

Der Air Separator für den Airbus A330, ursprünglich als komplexe Baugruppe aus über 30 Einzelteilen gefertigt, wurde im Rahmen der Forschungs-Fallstudie einer tiefgreifenden Neugestaltung unterzogen.

Andreas Hellmann
System Integration Design Engineer – Fuel & Bleed bei Airbus Operations GmbH

„In der Luftfahrt zählt jedes Gramm. Für disruptiven Leichtbau mit Additiver Fertigung müssen Strukturen, Geometrien und Prozesse neu gedacht werden. Dieses Bauteil zeigt mit Hilfe von generativ optimiertem Design eindrucksvoll, wie das gelingen kann.“

Der Air Separator

Der hier betrachtete Air Separator – bzw. auf Deutsch Luftabscheider – ist wichtiger Bestandteil beim Betrieb des Hilfstriebwerks – der sogenannten Auxiliary Power Unit (APU) – und stellt damit ein essenzielles Bauteil im Heck des Airbus A330 dar. Ursprünglich als komplexe Baugruppe aus über 30 Einzelteilen gefertigt, wurde er im Rahmen der Forschungs-Fallstudie einer tiefgreifenden Neugestaltung unterzogen.

Im Kern besteht der Air Separator aus einer kesselartigen Komponente, in der Luft und Wasser von Kerosin abgeschieden werden. Dies dient dazu, eine zuverlässige Kraftstoffversorgung der APU zu gewährleisten. Die Abscheidung selbst erfolgt durch ein simples physikalisches Prinzip, nämlich durch die Dichteunterschiede der beteiligten Stoffe. Luft ist am leichtesten und sammelt sich im oberen Bereich des Kessels, während Wasser schwerer als Kerosin ist, sich am Boden absetzt und bei Bedarf abgelassen werden kann. Das reine Kerosin kann nun mittels eines Tauchrohrs entnommen und der APU zugeführt werden.

Der konventionelle Air Separator ist aus Edelstahl gefertigt und hat zusammen mit einer darunterliegenden Halterungsstruktur eine Gesamtmasse von ca. 35 kg. Die gesamte Baugruppe besteht dabei aus über 30 einzelnen Bauteilen, die miteinander verschweißt, verschraubt oder vernietet sind.

Für die Designoptimierung wurde die Software MSC APEX Generative Design eingesetzt. Damit konnte zielgerichtet ein gewichtsoptimales Design gefunden werden.

Dr. Patrick Mehmert
Senior Research Engineer bei Hexagon Manufacturing Intelligence GmbH

„In diesem Projekt konnten wir erfolgreich unsere Expertise entlang der digitalen Prozesskette in der Simulation und optischen Vermessung demonstrieren: mit der Leichtbauoptimierung, der Fertigungssimulation und der abschließenden Qualitätssicherung.“

Projektziele

Die wesentlichen Projektziele waren eine drastische Reduktion des Gewichts und der Einzelteile, eine Senkung der Fertigungskosten und die Beibehaltung aller funktionalen Schnittstellen.

Im Detail sollten dabei folgende Ziele im Projekt erreicht werden:
• Maximal mögliche Gewichtsreduktion: möglichst über 50 % bzw. auf ein Zielgewicht unter 15kg
• Maximale Reduktion der Einzelteile: um Fertigungs- und Installationsaufwand zu reduzieren
• Reduktion der Fertigungskosten
• Beibehalten aller Schnittstellen zu umliegenden Bauteilen: unter Berücksichtigung der notwendigen Toleranzen
• Erreichen einer akzeptablen Oberflächenrauheit an den Anschlusspunkten.

Das gefundene integrale Design erfüllte alle Vorgaben und bestand nunmehr nur noch aus einem einzigen Bauteil.

Designoptimierung

Im ersten Projektschritt wurde das Design des Air Separators auf Basis der vorgegebenen Lasten, Randbedingungen, Materialeigenschaften und beizubehaltenden Schnittstellen umfassend optimiert und dabei vollkommen neu erstellt. Die Festlegung auf das additive Laser-Metallpulverbett-Verfahren als Fertigungstechnologie ermöglichte dabei eine hohe Designfreiheit ohne wesentlich behindernde Fertigungsrestriktionen.

Für die Designoptimierung wurde die Software MSC APEX Generative Design eingesetzt, die -anders als bei der klassischen Topologie-Optimierung – keine steifigkeitsgetriebene, sondern eine direkt auf den mechanischen Spannungen basierte Volumenminimierung durchführt. Damit konnte zielgerichtet ein gewichtsoptimales Design gefunden werden, ohne weitere Iterationen mit manuell vorgegebenen Gewichtszielen durchführen zu müssen.

Ein weiterer Vorteil war, dass als Ergebnis eine geglättete Geometrie basierend auf Nurbs-Flächen in verschiedenen Formaten wie STEP, STL oder Parasolid ausgegeben wurde, die direkt für die nachgeschaltete Fertigungsvorbereitung verwendet werden konnte. Somit sparte man sich die sonst nötige zeit- und kostenaufwändige Nachkonstruktion auf Basis klassischer Topologie-Optimierungsergebnisse, welche lediglich eine Idee möglicher finaler Designs vermitteln. Ebenso erlaubt diese Darstellung der optimierten Geometrie unmittelbar eine tiefere Festigkeitsanalyse z. B. mit MSC Nastran, so wie sie für die Zulassung in der Luftfahrt benötigt wird.

Schließlich konnte ein vollständig integrales Design gefunden werden, welches alle Vorgaben erfüllte und nunmehr nur noch aus einem einzigen Bauteil bestand. Die erzielte Masse liegt dabei knapp unter 9 kg, was einer beeindruckenden Gewichtseinsparung von etwa 75 % entspricht.

In der Simulation zeigten sich bei einem Best-Fit-Abgleich lediglich Restabweichungen von weniger als 1 mm in der Spitze, wobei für ca. 99 % des Bauteils sogar nur Abweichungen unter 0,2 mm prognostiziert wurden.

Digitale Fertigungsvorbereitung

Nach der Festlegung des optimierten Designs konnte die digitale Prozesskette mit der Vorbereitung des Baujobs nahtlos fortgesetzt werden. Im ersten Schritt wurde die optimierte Geometrie des Air Separators in der Software AM Studio für die geplante Fertigung auf der NXG XII 600 Laser-Metallpulverbett-Anlage von Nikon SLM Solutions sorgfältig ausgerichtet. Dabei spielte die optimale Positionierung eine zentrale Rolle, um sowohl die Fertigungsqualität als auch die Effizienz des Bauprozesses zu gewährleisten.

Zusätzlich wurde die Geometrie mit Stützstrukturen versehen, die speziell dafür ausgelegt wurden, die Stabilität während des Bauprozesses sicherzustellen und die Nachbearbeitung zu minimieren. Diese Stützstrukturen wurden mit Blick auf eine einfache Entfernung nach der Fertigung entwickelt, ohne die Präzision des Bauteils zu beeinträchtigen.

Ein wesentlicher Schritt war die Erstellung der digitalen Produktionsdaten, welche die exakte Definition der Laserwege und -geschwindigkeiten für jede Pulverschicht beinhaltete. Dank der leistungsstarken Software konnte dieser Prozess in vergleichbar kurzer Zeit abgeschlossen werden – in weniger als zehn Minuten.

Die optimierte Geometrie des Air Separators wurde in der Software AM Studio für die geplante Fertigung auf der NXG XII 600 Laser-Metallpulverbett-Anlage von Nikon SLM Solutions sorgfältig ausgerichtet.

Simulation als Enabler erfolgreicher Fertigung

Vor dem Starten des realen Baujobs auf der Laser-Pulverbett-Maschine wurde zunächst eine virtuelle Simulation des geplanten additiven Fertigungsprozesses mit der Software Simufact Additive durchgeführt, um mögliche Fertigungsrisiken vorab zu identifizieren, die prozessbedingten Formabweichungen zu prognostizieren und anschließend zu minimieren.

Zur Vorbereitung der Simulation wurden zunächst Messdaten von Kalibrierungs-Testkörpern, sogenannten Cantilevern, von Nikon SLM zur Verfügung gestellt und in die Software eingelesen. Nach dem Kalibrierungsvorgang konnte sodann der additive Bauprozess des optimierten Air Separators für die gewählte Kombination aus Maschine und Fertigungsparametern realitätsnah simuliert werden. Ein vollständiger Simulationslauf passte dabei zeitlich effektiv zwischen Feierabend und dem nächsten Morgen und war damit um einiges kürzer als der spätere reale Prozess. Virtuelle Optimierungsschleifen können daher schneller und kostengünstiger durchgeführt werden als trial-and-error-Iterationen mit tatsächlichen Baujobs.

Die wesentlichen Informationen aus der erfolgreich durchgeführten Simulation waren die relativen Verformungen des virtuell gefertigten Bauteils gegenüber der nominalen CAD-Geometrie und die sich einstellenden Spannungen im Material. Die Verformungsdaten konnten genutzt werden, um das Risiko einer Kollision des Bauteils mit dem Pulverbeschichter während des schichtweisen Aufbaus zu bewerten. Erfreulicherweise konnte kein erhöhtes Risiko für solch ein potenziell fatales Ereignis – das zu Fehlern im Bauteil oder sogar zum Prozessabbruch führen kann – festgestellt werden. Die Auswertung der simulierten Spannungen ergab ebenso kein signifikantes Risiko für ein Bauteil- oder Stützstrukturversagen während der Bauzeit.

Darüber hinaus wurden die vorhergesagten Verformungen von stellenweise über 4 mm durch eine mehrfache iterative Vorverformung geometrisch kompensiert. In der Simulation zeigten sich bei einem Best-Fit-Abgleich lediglich Restabweichungen von weniger als 1 mm in der Spitze, wobei für ca. 99 % des Bauteils sogar nur Abweichungen unter 0,2 mm prognostiziert wurden.

Damit war der Weg frei für die Erzeugung des realen, physischen Air Separators mit der Gewissheit keine bauteilbedingten, zeitaufwändigen und kostspieligen Probleme während der Additiven Fertigung zu riskieren.

Um mögliche Fertigungsrisiken vorab zu identifizieren, die prozessbedingten Formabweichungen zu prognostizieren und anschließend zu minimieren, wurde eine virtuelle Simulation des geplanten additiven Fertigungsprozesses mit der Software Simufact Additive durchgeführt.

Additive Fertigung

Um bei diesem komplexen Bauteildesign Iterationen der Bauteiloptimierung zu reduzieren und ein Optimum an Supportstrukturen auch hinsichtlich der Nacharbeit zu erreichen, wurde ein Testbaujob eines vermeintlich kritischen Ausschnitts des Air Separators auf der bewährten SLM®500 von Nikon SLM durchgeführt. Hierbei zeigten sich, genau wie von der Simulation vorhergesagt, keine kritischen Punkte, die eine Anpassung der geplanten Baustrategie nötig gemacht hätten.

Nach diesen gewissenhaften Vorbereitungen startete die ersehnte Additive Fertigung des kompletten design-optimierten Air Separators mit einem maximalen Bauteilvolumen von ca. 500 x 600 x 600 mm auf einer der größten und produktivsten Anlagen aus dem Hause Nikon SLM Solutions: der NXG XII 600 mit zwölf je 1 Kilowatt starken Lasern. Nach 68 Stunden war es so weit, der neue design- und fertigungsoptimierte Air Separator war – wie prognostiziert – bereits beim ersten Mal erfolgreich additiv hergestellt worden! Ein freudiges First-Time-Right-Erlebnis für alle Projektbeteiligten.

Vor der Fertigung des zweiten Demonstrators wurden geringfügige Anpassungen hinsichtlich jener Supportstrukturen vorgenommen, welche sich durch herausfordernde Zugänglichkeit während der Endbearbeitung auszeichneten. Somit konnte die Dauer der Nacharbeit reduziert werden. Auch wurde der Support eines Befestigungsarms verstärkt, um das Aufschwingen bei einer späteren Fräsbearbeitung zu vermeiden. Zur Sicherheit wurden die Änderungen wieder simulativ geprüft und für unkritisch befunden. So konnte auch der zweite physische Air Separator wie erwartet problemlos additiv gefertigt werden.

Zur Qualitätsüberwachung der Festigkeit wurden Zugstäbe neben dem Air Separator gefertigt. Diese Proben wurden jeweils von ein bis zwei Lasern belichtet und stellen somit Vergleichswerte für den Single- und Multilaserbereich dar. Die Zugstäbe durchliefen dieselbe Wärmebehandlung wie auch der Air Separator und wurden vor dem Testen spanend aufbereitet. Das Ergebnis zeigt, dass sowohl die Erwartungen an die Zugfestigkeit, mit einem gemittelten Wert von 1.045 MPa, als auch die Erwartungen an die 0,2 %-Dehngrenze, mit einem gemittelten Wert von 965 MPa, erfüllt wurden.

Mithilfe eines Hexagon SmartScan VR 800 Streifenlichtscanners wurde der erste der beiden vollständig gedruckten Demonstratoren optisch vermessen und mit der nominalen CAD-Geometrie verglichen.

Qualitätssicherung durch optische Vermessung

Zum Abschluss des Projekts wurde die digitale Prozesskette noch um den Punkt der optischen Vermessung ergänzt. Mithilfe eines Hexagon SmartScan VR 800 Streifenlichtscanners wurde der erste der beiden vollständig gedruckten Demonstratoren optisch vermessen und mit der nominalen CAD-Geometrie verglichen.

Damit konnten die simulativ vorhergesagten Formabweichungen qualitativ vollständig bestätigt werden, während diese quantitativ in der Realität etwas höher lagen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die relative Positionierung von Simulations- bzw. Messergebnis zur CAD-Geometrie nicht vollständig synchronisiert war und sich schon durch diese leicht unterschiedliche Auswertung der Daten Abweichungen ergeben können. Prinzipiell ist ein gemeinsamer Abgleich von CAD-, simulierter und gemessener Geometrie aber möglich.

Punktuell ergaben sich an nur zwei Stellen maximale Abweichungen von ca. 2 mm, der Großteil des gedruckten Bauteils lag unter einem Absolutwert von 0,5 mm. Hervorzuheben ist, dass die kritischen Anschlussbereiche dabei eine beeindruckende Genauigkeit mit einer Maßhaltigkeit von ca. ± 0,25 mm erzielten. Dies ist im Vergleich zu den geforderten Toleranzen von ± 5 mm 20fach genauer und daher ein mehr als beeindruckender Wert.

Punktuell ergaben sich an nur zwei Stellen maximale Abweichungen von ca. 2 mm, der Großteil des gedruckten Bauteils lag unter einem Absolutwert von 0,5 mm.

Fazit: Der optimierte Air Separator als Vorzeigebeispiel für Effizienz und Nachhaltigkeit

Das Air Separator-Projekt hat eindrucksvoll das Potential Additiver Fertigung im Allgemeinen und speziell in Luftfahrt-Anwendungen aufgezeigt. Die zusätzliche Designfreiheit im Vergleich zur konventionellen Konstruktion und Fertigung hat ein neuartiges, vollständig integrales und gewichtsoptimales Bauteil ermöglicht, welches zuvor so nicht möglich war.

Ebenso hat das Projekt das erfolgreiche Zusammenspiel der einzelnen Prozessschritte innerhalb der digitalen Prozesskette demonstriert. Das neuartige generative Design gepaart mit modernster Fertigungsvorbereitung sowie simulativer Absicherung und Verformungskompensation ermöglicht das volle Ausschöpfen der Leistungsfähigkeit aktueller Laser-Pulverbett-Drucker. Die nachgelagerte digitale Messtechnik sichert das Einhalten der angepeilten geometrischen Toleranzen zusätzlich ab.

Durch den Einsatz modernster Technologien und innovativer Designprozesse gelang es, die wesentlichen Projektziele sogar zu übertreffen und ein vollständig neues Design zu verwirklichen, das nicht nur 75 % leichter ist, sondern auch aus nur einem einzigen integralen Bauteil besteht. Diese Transformation verspricht nicht nur erhebliche Kosteneinsparungen und eine Reduktion des Kerosinverbrauchs, sondern auch ein CO₂-Einsparpotenzial von etwa 246 Tonnen über den Lebenszyklus eines Flugzeugs.

Die Fertigungskosten wurden im Projekt nicht im Detail quantitativ gegenübergestellt. Dennoch ist davon auszugehen, dass die ressourcenoptimale Fertigung nur eines Bauteils in 68 h plus Nachbearbeitung mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit günstiger und zusätzlich wesentlich schneller ist als die bisherige Fertigung von über 30 Bauteilen und deren Montage durch Schweißen, Nieten und Schrauben.

Das Beibehalten der Schnittstellen bei der Design-Optimierung ist gängige Praxis und wurde voll erreicht. Eine akzeptable Oberflächenrauheit an den Anschlusspunkten ist durch eine Fräsnachbearbeitung erreichbar. Diese ist möglich aufgrund der erzielten geometrischen Genauigkeiten gepaart mit lokaler Materialzugabe an den betroffenen Flanschen.

Dieses Projekt ist ein vorbildliches Beispiel dafür, wie die Additive Fertigung die Zukunft der Luftfahrt gestalten kann, indem sie neue Standards für Effizienz, Nachhaltigkeit und Innovation setzt und mit Hilfe digitaler Tools direkt zu funktionalen Designs und einer fehlerfreien Fertigung verhilft. Durch den Einsatz moderner Software und Fertigungstechnologien konnte ein vollständig integrales und gewichtsoptimiertes Bauteil geschaffen werden, das die gestiegenen Anforderungen der Luftfahrtindustrie erfüllt.

Ausblick

Das abgeschlossene Projekt hat eindeutig die Machbarkeit einer Substitution der konventionellen Baugruppe durch ein additiv gefertigtes Integralteil aufgezeigt. In einem Anschlussprojekt könnten weitere Verbesserungen im Hinblick auf eine spätere tatsächliche Umsetzung in der A330-Serie untersucht werden. U. a. könnte das Design weiter angepasst werden, um innenliegende Stützstrukturen gänzlich zu vermeiden bzw. so anzupassen, dass sie problemlos im Bauteil verbleiben können. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Verformungskompensation auf Basis der optischen Scans des real gedruckten Bauteils weiter zu verbessern. Schließlich müssten noch die zulassungsrelevanten Dokumentationen wie z. B. ein umfangreicher statischer Nachweis erstellt werden.

Somit zeigt dieses Projekt eindrucksvoll die Möglichkeit auf, Großstrukturen mittels Laser und pulverbettbasierender additiver Fertigungsverfahren und der entsprechenden Software im Flugzeug zu integrieren. Damit sollte einer Ausweitung additiv gefertigter Luftfahrt-Bauteile – bis auf die nötigen Entscheidungen des Managements – eigentlich nichts mehr im Wege stehen.