Additive manufacturing of innovative toolings for the production of intelligent fiber composite components

The additive manufacturing of metallic structures is finding its way into modern aircraft manufacturing. Airbus and Boeing have committed to a double-digit percentage of "printed" structures in their aircraft in their development strategies.

While the technology of selective laser sintering (SLS) and alternative additive manufacturing technologies were severely limited in their applicability due to their small size, the current state of the art allows structures ranging from stop angles at Premium Aerotec to complete systems in the landing gear at Norsk Titanium to be manufactured. The speed and efficiency of the processes have also reached a level that makes them interesting for large series. For example, seat belt buckles are to be manufactured using additive manufacturing, saving 7% in weight and being economically competitive.

Against this background, the Addictive Tooling project aims to investigate the applicability of additive manufacturing techniques to the production of efficient, innovative tools and is intended to enable the economical use of expensive high-performance steels and alloys such as INVAR. Especially for expensive materials, additive manufacturing is a way of reducing the production of waste in the form of chips.

The fiber composite structures used in aviation are usually designed to be streamlined due to their aerodynamic functions and are often very challenging to shape. The complexity of manufacturing the structures is often at the limit of feasibility or exceeds it. The consequences of this are difficult, expensive molding tools, production techniques with a high proportion of scrap, or structures that are not optimally designed and lower efficiency in flight use. The development presented here involves the production of an undercut CFRP hollow component in the rotor system of the EC135, the best-selling civil helicopter, which is to be manufactured using a newly developed vacuum infusion technology VAP-AP.

The consortium is using this test model to develop new solutions and new degrees of freedom in the manufacture of molds and the integration of process sensors, representing the requirements of the aviation industry. In parallel, the German partners are developing the design of the component and the catalog of requirements for the manufacturing processes in the already approved KOKOS funding project, which forms the basis for additive tooling. The two projects are independent of each other; the cooperation creates valuable synergies for both consortia and a positive impact on the results, but no exploitation or exclusive rights to each other's developments.

[Original text]
"Additive Fertigung Innovativer Toolings zur Herstellung Intelligenter Faserverbundbauteile"
Die additive Fertigung von metallischen Strukturen hält Einzug in die moderne Fertigung von Flugzeugen. Airbus und Boeing haben sich in ihren Entwicklungsstrategien zu 2-stelligen Prozentanteilen von „gedruckten“ Strukturen in ihren Flugzeugen ausgesprochen.

Waren die Technologie des selektiven Lasersinterns SLS und alternativen additiven Fertigungstechnologien durch ihre geringen Baugrößen in der Anwendbarkeit stark eingeschränkt so sind zum derzeitigen Stand der Technik  Strukturen von Anschlagwinkeln bei Premium Aerotec bis zu Gesamtsystemen im Landing Gear bei Norsk Titanium fertigbar.  Auch die Schnelligkeit und Effizienz der Verfahren hat ein Level erreicht um für große Serien interessant zu werden. So sollen Klappverschlüsse der Sitzgurte im Additive Manufacturing gefertigt werden, dabei 7% Gewichtseinsparung und wirtschaftlich konkurrenzfähig sein.

Vor diesem Hintergrund zielt das Projekt Addictive Tooling auf die Untersuchung der Anwendbarkeit von Additive Manufacturing Techniken auf die Fertigung von effizienten, neuartigen Werkzeugen ab und soll hier die wirtschaftliche Verwendung von teuren Hochleistungsstählen und -Legierungen wie zum Beispiel INVAR ermöglichen. Gerade für teure Werkstoffe bildet die auftragende Fertigung eine Möglichkeit die Produktion von Abfall in Form von Spänen zu verringern.  

Die Faserverbundstrukturen der Luftfahrt sind durch ihre aerodynamischen Funktionen meist windschnittig ausgelegt und oft in der Formgebung sehr herausvordernd. Die Komplexität in der Fertigung der Strukturen befindet sich oft an der Grenze der Machbarkeit oder übersteigen diese. Die Konsequenz daraus sind diffizile, teure Formwerkzeuge, Produktionstechniken mit hohem Ausschussanteil, oder nicht optimal ausgelegte Strukturen und geringere Effizienz im Flugeinsatz. Die hier dargestellte Entwicklung bezieht die Fertigung eines hinterschnittigen CFK-Hohlbauteils im Rotorsystem des EC135, dem meistverkauften, zivilen Hubschraubers, ein, welcher mit einer neuentwickelten Vakuum-Infusionstechnologie VAP-AP gefertigt werden soll. 

Stellvertretend für die Anforderungen der Luftfahrt erarbeitet das Konsortium  anhand dieses Versuchsmusters neue Lösungen und neue Freiheitsgrade in der Fertigung von Formwerkzeugen und der Integration von Prozesssensorik.  Die deutschen Partner entwickeln parallel im bereits genehmigten Förderprojekt KOKOS die Auslegung des Bauteils und den Anforderungskatalog an die Fertigungsprozesse welche die Grundlage für Addictive Tooling bildet. Die beiden Projekte sind voneinander unabhängig, durch die Kooperation entstehen wertvolle Synergien für beide Konsortien und eine positive Auswirkung auf die Ergebnisse, jedoch keine Verwertungs- oder Exklusivrechte an den gegenseitigen Entwicklungen.