OHB System AG en Fraunhofer IAPT ontwikkelen procesketen voor de additieve productie van geoptimaliseerde onderdelen

Reactieradbeugel (Materiaal: Ti-6Al-4V). (Bron: Catharina Clemens; Auteursrecht: Fraunhofer IAPT)

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

De invoering van Additieve Productie vereist de betrouwbare naleving van alle branchespecifieke eisen op het gebied van kwaliteit en standaarden. Hoe dat lukt, wordt getoond door een project van OHB System AG en het Fraunhofer IAPT. De organisaties hebben ontwerp- en fabricatierichtlijnen, evenals richtlijnen en processen voor de validatie en productie van geoptimaliseerde ruimtevaartonderdelen met de additieve productietechnologie PBF-LB/M ontwikkeld en gebruikt voor de optimalisatie van drie satellietonderdelen.

In het project »AM Maturation« hebben OHB System AG en de Fraunhofer-instelling voor Additieve Productietechnologieën IAPT in opdracht van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA een additieve procesketen ontwikkeld. Uitgaande van branchespecifieke eisen aan onderdelen en fabricageprocessen hebben de projectpartners een individuele procesketen voor de productie met PBF-LB/M gedefinieerd en drie satellietonderdelen langs de additieve fabricageroute geoptimaliseerd.

Kansen en uitdagingen bij de invoering van Additieve Productie

additive productie (Engels Additive Manufacturing – kort AM) bevordert de innovatiekracht van alle producerende sectoren en kan de kosten op de lange termijn verlagen. In de ruimtevaart verhoogt AM bijvoorbeeld de prestaties van satellieten en ruimtevaartuigen. De sector profiteert vooral van het proces PBF-LB/M, dat prestatieverbeteringen mogelijk maakt door de ontwerpflexibiliteit van PBF-LB/M en functionele integraties. Daarnaast kunnen het gewicht van de onderdelen, de montage- en integratie-inspanningen, evenals ontwikkelings- en doorlooptijden worden verminderd.

Gelijktijdig vereist de succesvolle implementatie van additieve technologieën dat tijdens het gehele fabricageproces wordt voldaan aan kwaliteits- en branchespecifieke standaarden. Een robuuste fabricageketen is daarom essentieel voor het succesvolle gebruik van additieve productie voor onderdelen die onderhevig zijn aan branche-, kwaliteits- en veiligheidsnormen.

Drie satellietonderdelen valideren de AM-procesketen

Om de additieve productie voor de fabricage van onderdelen voor de ruimtevaart te ontsluiten, hebben OHB System AG en het Fraunhofer IAPT ontwerp-, fabricage- en validatierichtlijnen en -processen voor additief vervaardigde componenten ontwikkeld. De validatie van de aanpak werd gerealiseerd door de optimalisatie van structurele en opto-mechanische onderdelen voor gebruik op satellietplatforms en in instrumenten.

Voor het opzetten van een procesketen vonden eerst kennisoverdracht, materiaalanalyses en leveranciersbenchmarks plaats. De implementatie van de gevalideerde processen begon met het ontwerp van drie, steeds complexere ruimtevaartonderdelen met verbeterde prestaties: een verbindingsonderdeel, een houder voor een reactierad en een dubbele spiegel.

De productie gebeurde met PBF-LB/M als de meest geschikte technologie voor de eisen van OHB System AG en in een proces dat voldoet aan de ruimtevaartnormen. Tijdens de nabewerking werden onder andere oppervlaktebehandelingen – bijvoorbeeld van spiegeloppervlakken – uitgevoerd om verdere verbeteringen te realiseren. Afsluitende tests van alle onderdelen dienden ter verificatie.

PBF-LB/M en de voordelen voor satellietprojecten

Fraunhofer IAPT en OHB zijn erin geslaagd een doorlopende en robuuste AM-procesketen voor PBF-LB/M te ontwikkelen en te optimaliseren. Daartoe behoren het opbouwen van ontwerp- en verificatiecompetenties en het opzetten van een betrouwbare toeleveringsketen voor titanium- en aluminiumonderdelen.

Voor de representatief vervaardigde satellietonderdelen behaalde de additieve fabricageroute verschillende voordelen. Zo werd bij het in het project ontwikkelde verbindingsonderdeel de gewenste stijfheidseigenschappen bereikt door een gecontroleerde en optimale massa-verdeling. De houder voor het reactierad kan dankzij direct ingebedde klikmoeren eenvoudiger worden geïntegreerd en gemonteerd. Bovendien werd de ontwikkeltijd verkort om aan veranderde randvoorwaarden te kunnen voldoen. Bij de dubbele spiegel, het complexste van de drie onderdelen, bereikte de additieve productiemethode een lagere thermische vervorming van het spiegellichaam door geoptimaliseerde montagepunten en verbeterde optische eigenschappen dankzij een hogere thermische stabiliteit. Verder werden gewichtsreducties tot wel 45 procent gerealiseerd.

Dr. Marco Mulser, hoofd Technologiecoördinatie bij OHB System AG, vat samen: »Met behulp van het Fraunhofer IAPT kon OHB een betrouwbare procesketen opbouwen, die het ons nu mogelijk maakt om AM-onderdelen in hoge kwaliteit in te zetten voor onze satellietprojecten.«