Additive manufacturing for innovative titanium components in the aviation industry

The strong increase in global civil aviation requires more resource-efficient aircraft. Structural weight is a decisive factor here. Metallic fittings, bearings, locking and latching elements connect composite lightweight components to surrounding components and are usually subject to high loads. Alloys such as Ti6Al4V are often used for this purpose, as their high strength-to-weight ratio keeps the structural weight and space requirements low compared to steel or aluminum. The cost share of such lightweight components in the total costs can be over 50%. Lightweight construction in these components is currently only partially possible with the conventional manufacturing options available industrially (machining CNC machining, sometimes with the integration of near-net forging) and leads to a high proportion of machined raw material. Additive manufacturing in particular represents THE opportunity for cost optimization, but is not yet approved for use in aviation for structural components with high safety requirements (flight safety).
The first goal of the project is therefore to reduce the manufacturing costs for two structural components (maintenance flap hinge for engine cowling, central fitting for air brake flaps) by 20% using laser melting (LM) in the powder bed. The project makes a contribution to cost estimates with regard to the expected EASA and FAA approval requirements for future "printed" Ti6Al4V components. In addition, the project focuses on (1) reducing component weight by 40% through bionic construction, (2) manufacturing that is as error-free as possible through continuous melt pool monitoring and powder bed surface scanning and, for the first time internationally, combining them with metallurgically based online error correction methods to be developed, and (3) electrochemical surface treatment ("electropolishing"). This also includes the coordination of the additive manufacturing process with the starting powders, which are optimized for this purpose as part of the project. To ensure high cost efficiency in AM manufacturing, the influence of Ti6Al4V powder already used and the degree of admixture of new powder is also being investigated using various powder treatment/manufacturing processes and corresponding LM process optimization, which represents an additional innovation especially for aviation applications. Finally, the optimization of the construction direction with regard to the highest mechanical reliability (fatigue strength) and the smoothest possible surface topography as a basis for lightweight construction based on lattice and bone internal structures is also the R&D goal of the project.
The micro-roughness of all structures, which is crucial for the long-term fatigue strength of the components, is leveled by electropolishing with targeted hydrodynamic control of the electrolyte layer. In the area of ​​new construction and error correction, the project should ultimately provide a toolbox for subsequent R&D projects.
The consortium covers the necessary know-how: the consortium leader FACC is one of the world's leading companies in the development and manufacture of high-performance fiber composite components and systems for the civil aviation industry. PRIME aerostructures is a competent engineering service provider as a development company in the aerospace sector, BEG is one of the world's most important suppliers of high-speed steels, tool steels and special materials. The research service providers JR and CEST have many years of experience in the field of laser-assisted rapid prototyping processes and surface treatments as well as their industrial transfer.

[Original text]
"Additive Fertigung für innovative Titanbauteile der Luftfahrtindustrie"
Die starke Zunahme des weltweiten zivilen Luftverkehrs erfordert ressourceneffizientere Luftfahrzeuge. Dabei ist das Strukturgewicht ein entscheidender Faktor. Metallische Beschläge, Lagerungen, Schließ- und Verriegelungselemente stellen die Verbindung von Composite-Leichtbau-Komponenten mit umliegenden Bauteilen dar und sind meist hoch belastet. Oftmals kommen dazu Legierungen wie Ti6Al4V zum Einsatz, da sie gegenüber Stahl oder Aluminium durch ihr hohes Festigkeits- zu Gewichtsverhältnis das strukturelle Gewicht und den benötigten Platzbedarf gering halten. Der Kostenanteil derartiger Leichtbauteile an den Gesamtkosten kann über 50% betragen. Leichtbau wird derzeit in diesen Bauteilen nur ansatzweise mit den industriell zur Verfügung stehenden konventionellen Fertigungsmöglichkeiten (spanabhebende CNC-Bearbeitung, z.T. unter Einbindung von Near-Net-Forging) ermöglicht und führt zu hohem Anteil an zerspanten Rohmaterial. Speziell die additive Fertigung stellt dabei DIE Möglichkeit der Kostenoptimierung dar, ist jedoch für Strukturbauteile mit hohen Sicherheits-Anforderungen (Flugsicherheit) bislang noch nicht Luftfahrt-zugelassen.
Erstes Ziel des Projekts ist daher, die Herstellungskosten für zwei Strukturbauteile (Wartungsklappen-Scharnier für Triebwerksverkleidung, zentraler Beschlag für Bremsklappen) durch Laser-Schmelzen (engl. Laser Melting LM) im Pulverbett um 20% zu verringern. Das Projekt liefert dabei einen Beitrag für Kostenschätzungen im Hinblick auf die zu erwartenden EASA- und FAA-Zulassungsauflagen von zukünftigen „gedruckten“ Ti6Al4V-Bauteilen. Zusätzlich sind im Projekt-Fokus auch die (1) Senkung des Bauteilgewichts um 40% durch bionische Konstruktion, (2) eine möglichst fehlerfreie Fertigung durch kontinuierliche Schmelzbad-Überwachung und Pulverbett-Oberflächen-Scanning und international erstmalig deren Kombination mit zu entwickelnden metallurgisch basierten Online-Fehlerkorrektur-Methoden sowie (3) elektrochemische Oberflächenbehandlung („Elektropolieren“). Dies schließt zudem die Abstimmung des additiven Herstellprozesses auf die Ausgangspulver ein, die dafür im Rahmen des Projekts optimiert werden. Für hohe Kosteneffizienz in der AM-Fertigung wird zudem der Einfluss von bereits genutztem Ti6Al4V-Pulver und dem Grad der Zumischung von Neupulver unter Einsatz verschiedener Pulverbehandlungs-/Herstellungsverfahren und entsprechender LM-Prozessoptimierung untersucht, was speziell für Luftfahrt-Anwendungen eine zusätzliche Innovation darstellt. Schlussendlich ist auch die Optimierung der Baurichtung bzgl. höchster mechanischer Zuverlässigkeit (Ermüdungsfestigkeit) sowie möglichst glatter Oberflächentopographie als Basis für auf Lattice- und Bone-Innenstrukturen basierten Leichtbau F&E-Ziel des Projekts.
Die für die Langzeitermüdungsfestigkeit der Bauteile entscheidende Mikrorauigkeit aller Strukturen wird durch Elektropolieren mit gezielter hydrodynamischer Steuerung der Elektrolytschicht eingeebnet. Im Bereich neuer Konstruktion und Fehlerkorrektur soll das Projekt letztendlich eine Tool-Box für nachfolgende F&E-Projekte zur Verfügung stellen.
Das Konsortium deckt das dafür notwendige Know-how ab: der Konsortialführer FACC ist eines der weltweit führenden Unternehmen in der Entwicklung und Herstellung von Hochleistungs-Faserverbundkomponenten und -systemen für die zivile Luftfahrtindustrie. PRIME aerostructures ist kompetenter Engineering-Dienstleister als Entwicklungsbetrieb im Bereich der Luft und Raumfahrt, BEG einer der weltweit bedeutendsten Anbieter von Schnellarbeitsstählen, Werkzeugstählen und Sonderwerkstoffen. Die Forschungsdienstleister JR und CEST verfügen über langjährige Erfahrungen auf dem Gebiet Laser-unterstützter Rapid-Prototyping Verfahren und Oberflächenbehandlungen sowie deren industrielle Überleitung.