OHB System AG und Fraunhofer IAPT entwickeln Prozesskette für die Additive Produktion optimierter Bauteile

Reaktionsradhalterung (Material: Ti-6Al-4V). (Quelle: Catharina Clemens; Copyright: Fraunhofer IAPT)

Verbindungselement (Material: Ti-6Al-4V). (Quelle: OHB System AG; Copyright: OHB System AG)

Die Einführung von Additiver Produktion erfordert die zuverlässige Einhaltung sämtlicher branchenspezifischer Anforderungen an Qualität und Standards. Wie das gelingt, zeigt ein Projekt der OHB System AG und des Fraunhofer IAPT. Die Organisationen haben Design- und Herstellungsregeln sowie Richtlinien und Prozesse für die Validierung und die Fertigung optimierter Raumfahrt-Bauteile mit der additiven Produktionstechnologie PBF-LB/M erarbeitet und für die Optimierung dreier Satellitenkomponenten genutzt.

In dem Projekt »AM Maturation« haben die OHB System AG und die Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT im Auftrag der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA eine additive Prozesskette entwickelt. Ausgehend von branchenspezifischen Anforderungen an Bauteile und Herstellungsprozesse haben die Projektpartner eine individuelle Prozesskette zur Fertigung mittels PBF-LB/M definiert und drei Satellitenkomponenten entlang der additiven Fertigungsroute optimiert.

Chancen und Herausforderungen bei der Einführung von Additiver Produktion

dditive Produktion (englisch Additive Manufacturing – kurz AM) fördert die Innovationskraft sämtlicher produzierender Branchen und kann die Kosten langfristig senken. In der Raumfahrt steigert AM beispielsweise die Leistung von Satelliten und Raumfahrzeugen. Die Branche profitiert insbesondere von dem Prozess PBF-LB/M, welcher Leistungssteigerungen durch die Designfreiheit von PBF-LB/M und funktionale Integrationen ermöglicht. Weiterhin lassen sich das Gewicht der Bauteile, der Aufwand für Montage und Integration sowie Entwicklungs- und Durchlaufzeiten reduzieren.

Gleichzeitig setzt die erfolgreiche Implementierung additiver Technologien das Einhalten von Qualitäts- und Branchenstandards während des gesamten Fertigungsprozesses voraus. Eine robuste Herstellungsroute ist daher essenziell für die erfolgreiche Additive Produktion von Bauteilen, die Branchen-, Qualitäts- und Sicherheitsstandards unterliegen.

Drei Satellitenbauteile validieren die AM-Prozesskette

Um die Additive Produktion zur Herstellung von Bauteilen für die Raumfahrt zu erschließen, haben die OHB System AG und das Fraunhofer IAPT Design-, Herstellungs- und Validierungsregeln sowie -prozesse für additiv gefertigte Komponenten erarbeitet. Die Validierung des Vorgehens gelang durch die Optimierung von strukturellen sowie opto-mechanischen Bauteilen für den Einsatz auf Satellitenplattformen und in Instrumenten.

Zum Etablieren einer Prozesskette fanden zunächst Know-how-Transfers, Materialuntersuchungen und Lieferantenbenchmarks statt. Die Umsetzung der verifizierten Abläufe begann mit dem AM-Design dreier, zunehmend komplexer Raumfahrtkomponenten mit optimierter Leistung: Ein Verbindungselement, eine Reaktionsradhalterung und ein Doppelspiegel.

Die Herstellung erfolgte mit PBF-LB/M als der am besten für die Anforderungen der OHB System AG geeigneten Technologie und in einem Prozess, der den Raumfahrtstandards entspricht. In der Nachbearbeitung fanden unter anderem Oberflächenbehandlungen – etwa von Spiegelflächen - zur weiteren Verbesserung statt. Abschließende Tests aller Bauteile dienten der Verifikation.

PBF-LB/M und die Vorteile für Satellitenprojekte

Fraunhofer IAPT und OHB ist die Entwicklung und Optimierung einer durchgängigen und robusten AM-Prozesskette für PBF-LB/M gelungen. Dazu zählen der Aufbau von Design- und Verifikationskompetenzen und der Aufbau einer zuverlässigen Lieferkette für Titan- und Aluminiumbauteile.

Für die repräsentativ gefertigten Satellitenbauteile erzielte die additive Fertigungsroute verschiedene Vorteile. Hierzu zählen bei dem im Projekt entwickelten Verbindungselement das Erreichen definierter Steifigkeitseigenschaften durch eine kontrollierte und optimale Massenverteilung. Die Reaktionsradhalterung lässt sich dank direkt eingebetteter Klick-Muttern einfacher integrieren und montieren. Zudem wurde die Entwicklungszeit zur Anpassung an veränderte Randbedingungen verkürzt. Bei dem Doppelspiegel als komplexestem der drei Bauteile erreichte die additive Produktionsroute eine geringere thermische Verformung des Spiegelkörpers durch optimierte Montagepunkte und verbesserte optische Eigenschaften aufgrund höherer thermischer Stabilität. Weiterhin gelangen Gewichtsreduktionen von bis zu 45 Prozent.

Dr. Marco Mulser, Leiter Technologiekoordination der OHB System AG fasst zusammen: »Mit Hilfe des Fraunhofer IAPT konnte OHB eine verlässliche Prozesskette aufbauen, die es uns nun erlaubt AM-Bauteile in hoher Qualität auf unseren Satellitenprojekten einzusetzen.«