3D-printed lightweight drones – Qualitätssicherung in der additiven Drohnenfertigung

Leicht und sicher in die Luft

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Neue Werkstoffe innerhalb der additiven Fertigungsverfahren erweitern die Einsatzmöglichkeiten speziell im Leichtbau. Flugdrohnen profitieren von diesen Entwicklungen. Eine lückenlose Qualitätssicherung innerhalb des Verfahrens muss allerdings technisch noch gelöst werden. Ziel ist eine 100-%-ige Bauteil- und Werkstoffüberprüfung ab Losgröße 1.

Die Nutzung von Drohnen steigt massiv an. Zahlreiche gewerbliche Drohnen-Projekte versprechen eine weitere Verbesserung unserer Lebensqualität – von der schnellen Lieferung von Blutkonserven, der Rettung Ertrinkender durch autonome Strandüberwachung oder einer schnelleren Konsumgüter-Logistik.

Die süd-dänische Universität in Odense (SDU) hat ihren strategischen Fokus deshalb auf den Bereich Drohnen gelegt. Drohnen als fliegende Roboter oder Unmanned Aerial System (UAS) fördern in der Region Süd-Dänemark starke Synergien mit den über 100 ansässigen Unternehmen der Robotikbranche sowie einer international anerkannten Robotik-Forschungsgruppe an der Universität. Das SDU UAS Center wurde 2015 gegründet und beinhaltet alle Drohnen relevanten Forschungsgebiete. Auf 2000 Quadratmeter befinden sich Labors, Büros und ein Indoor-Flugraum auf dem Hans-Christian-Anderson-Airport in Odense.

Mit zunehmender Professionalität der Drohnenanwendung steigen auch die Anforderungen an Fertigungsqualität und Qualitätssicherung und Zertifizierung der Fertigungsprozesse. Bei Drohnen und Flugtaxis zur Beförderung von Personen gleichen sich diese Anforderungen den Fertigungsstandards aus der Luft-und Raumfahrt sehr stark an.

Die geforderte Produktqualität, Qualitätssicherung und Zertifizierung innerhalb der Drohnenfertigung kann daher sehr unterschiedlich sein. Diese Varianz der Qualitätsanforderungen hat mehrere Auswirkungen: Der Preis ist stark abhängig vom Einsatzgebiet der Drohe. Professionell eingesetzte Drohnen weisen deutlich höhere Preise auf als Drohnen für private Anwendungen. Drohnen, die Menschen transportieren oder für sicherheitsrelevante und auch militärische Zwecke eingesetzt werden, haben nochmals deutlich gesteigerte Qualitätsanforderungen und signifikant höhere Verkaufspreise.

Abhängig von den erforderlichen Zertifizierungen sind nur bestimmte Fertigungsverfahren einsetzbar. Je umfangreicher die erforderlichen Zertifizierungen desto geringer die Auswahlmöglichkeit zertifizierter Prozesse.

Verfahren können effizient evaluiert werden

Es ergeben sich hieraus jedoch auch große Chancen, die Eignung bestimmter Herstellungsverfahren wie etwa der additiven Fertigung für Luftfahrtanwendungen zu untersuchen. So können Materialen und additive Fertigungsverfahren an Drohnen untersucht werden, welche relativ niedrige Zulassungsbeschränkungen haben.

Drohnen weisen meist kleinere Abmessungen als herkömmliche Fluggeräte auf. Hierdurch fallen die Nachteile der additiven Verfahren wie die relativ geringe Produktivität und Bauraumgröße weniger stark ins Gewicht.

Die Flugtauglichkeit der eingesetzten Werkstoffe und Produktionsverfahren kann im realen Flugbetrieb unter denselben technischen Randbedingungen getestet werden. Wird die Flugeignung nachgewiesen, kann durch weitere qualitätssteigernde Maßnahmen eine höherwertige Zertifizierung erreicht werden. Hierdurch ist eine effiziente Evaluierung geeigneter Verfahren und Materialien möglich, bevor hohe Investitionen in Zertifizierungsmaßnahmen getätigt werden.

Additive Fertigung wird an der SDU als ein Fertigungsprozess für Drohnen erforscht, eingesetzt und untersucht. Hierbei werden insbesondere Strukturelemente wie Tragflächen und Rumpf additiv gefertigt und getestet. Leichtbau wird durch die Verarbeitung von Hochleistungswerkstoffen wie Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe – umgangssprachlich Carbon – erreicht.

Das additive Verfahren erlaubt es, Kohlenstofffasern kraftflussgerecht innerhalb der Druckebene zu platzieren. Durch diese automatisierte Ausrichtung der Faser im Produktionsprozess können topologie-optimierte Drohnendesigns direkt gefertigt werden. Der strukturelle Leichtbau additiver Fertigungsverfahren kann sein volles Potenzial entfalten, indem er mit den isotropen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe kombiniert wird.

Ganzheitliche Lösung gesucht

Die Qualitätssicherung innerhalb dieser einzigartigen Fertigungstechnologie ist anspruchsvoll. Einerseits gilt es, die Herausforderungen additiver Fertigungsverfahren systematisch, messtechnisch und prozessseitig zu lösen. Hierzu wird an zahlreichen Forschungseinrichtungen geforscht und die branchenrelevanten Unternehmen bieten zahlreiche Detaillösungen an.

Materialseitig ist Qualität des Verbundwerkstoffs aus Kohlenstofffaser und Kunststoff zu garantieren. Auch hierfür sind unterschiedliche Maßnahmen und Messverfahren verfügbar. Für die Kombination aus Verbundwerkstoff und additivem Verfahren sind aktuell jedoch noch keine ganzheitlichen Technologien verfügbar, die eine zufriedenstellende Bauteilqualität für Drohnenanwendungen garantieren.

Hier wäre aus Anwendersicht eine ganzheitliche Lösung aus Fertigungsprozess und Qualitätssicherung wünschenswert, welche die Qualität der gefertigten Bauteile garantieren kann. Denkbar wäre hierbei ein geometrischer Soll/Ist Abgleich von additiv gefertigtem Bauteil und CAD-Datensatz.

Zur Sicherung von Werkstoffparametern wie beispielsweise Schichthaftung und Faserorientierung sind weitere Mechanismen notwendig. Möglich wäre hier etwa eine Inline-Prozessüberwachung, welche mithilfe zerstörungsfreier Prüfverfahren Faserorientierung und materialtypische Charakteristika analysiert und auswertet.

Zur Bewertung qualitätsrelevanter Produktions- und Materialparameter wird an der SDU gemeinsam mit deutschen Forschungspartnern ein methodischer Lösungsansatz verfolgt. Hierbei werden kritische Bereiche von Parametern und Parameterkombinationen identifiziert. Durch kontinuierliche Messung der kausalen Vorstufen können die relevanten Parameter überwacht werden. Ziel des methodischen Ansatzes ist es, ein Fehler-Frühwarnsystem zu erarbeiten durch eine Mustererkennung in der Parameterentwicklung.

Dieses Frühwarnsystem soll eingesetzt werden, um Fehler in der Produktion zu vermeiden. Hierzu ist in der nächsten Entwicklungsstufe die intelligente Verknüpfung der Frühwarnmethodik mit der Maschinensteuerung notwendig.

Zusammengefasst bieten additive Fertigungsverfahren mit Faserverbundwerkstoffen große Potenziale für die Fertigung von Drohnen, auch struktureller Bauteile wie etwa Tragflächen. Innerhalb der Drohnenbranche herrschen sehr unterschiedliche Anforderungen an Bauteilqualität und notwendige Prozessqualifizierung.

Die Qualitätssicherung innerhalb des Verfahrens ist aus Sicht von Drohnenbauern zum heutigen Zeitpunkt noch nicht ganzheitlich gelöst. Um das Verfahren industriell einsetzen zu können, sind weitere qualitätssichernde Maßnahmen erforderlich. ■


Der Referent

Raphael Geiger

SDU Mechanical
Engineering

Department of
Technology and
Innovation
University of
Southern Denmark

www.sdu.dk


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