Additiv sicherer und wirtschaftlicher

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Gefertigt wird der Einspritzkopf nach wie vor aus einer hitze- und korrosionsbeständigen Nickelbasislegierung (EOS NickelAlloy IN718). Diese zeichnet sich durch sehr gute Zug-, Dauer-, Kriech- und Bruchfestigkeit bei erhöhten Temperaturen aus. Deshalb war es sinnvoll, diesen Werkstoff weiterhin zu nutzen. «Nach der erfolgreichen Entwicklung des Bauteils durch uns lag der Fokus auf der Wirtschaftlichkeit», berichtet Dr.-Ing. Fabian Riss, Produktionstechnologie-Werkstoffe & Prozesse. Der Hersteller Ariane Group hatte vorgegeben, die Durchlaufzeiten und die Stückkosten signifikant zu senken. In einem stufenweisen Prozess wurden die ersten Bauteile zunächst auf einer Maschine EOS M 290 gefertigt. Danach skalierte man den Prozess auf das grössere Additive Fertigungssystem EOS M 400-4. Da es über vier parallel arbeitende Laser verfügt, produzierte es den Einspritzkopf bei bis zu vierfacher Geschwindigkeit. «Die Skalierung des Bauprozesses auf das hochproduktive System EOS M 400-4 war für uns ein wichtiger Schritt, um die Industrialisierung und die Wettbewerbsfähigkeit des Ariane-6-Projekts voranzutreiben. Dank der Erfahrung und des Branchenwissens der EOS-Kollegen verlief die Zusammenarbeit sehr effizient. Das Ergebnis spricht für sich und beweist die tolle Teamleistung», erläutert Dr. Steffen Beyer.

Dauerte das Giessen und spanende Bearbeiten ehemals mehr als drei Monate, verringerte sich die Durchlaufzeit bei additiver Fertigung auf der Maschine EOS M 290 auf 133 Stunden. Auf dem additiven Fertigungssystem EOS M400-1 mit nur einem Laser dauerte es 65 Stunden, mit vier parallelen Lasern (EOS M 400-4) nur noch 35 Stunden, den Einspritzkopf komplett herzustellen.

Leichter und dennoch stabiler

Damit hatte die Ariane Group die Forderungen allesamt erfüllt. Statt aus 248 Bauteilen besteht der Einspritzkopf nun nur noch aus einem einzigen Bauteil. Dabei erfüllt er gleiche Funktionen und ist deutlich schneller und wirtschaftlicher zu fertigen. Durch die pulverbettbasierte, industrielle 3D-­Druck-Technologie von EOS gelang es unter anderem, die 122 Einspritzdüsen, die Grund- und die Frontplatte sowie den Verteilerdom mit den entsprechenden Zuleitungsstutzen für die Treibstoffe Wasserstoff und Sauerstoff als integrales Bauteil zu drucken. Die deutlich höhere Produktivität des Multi-Laser-Systems EOS M 400-4 im Vergleich zu Single-Laser-Systemen (EOS M290) reduzierte die Bauzeit auf weniger als ein Drittel, die Kosten sanken auf die Hälfte.

Das Projektteam verwirklichte weitere Erfolge. Durch die Vereinfachung des Designs und dank verbesserter Werkstoffeigenschaften im Vergleich zum Guss lässt sich das Bauteil im additiven Fertigungsverfahren bei gleicher Robustheit und Festigkeit mit deutlich dünneren Wänden ausführen. Dadurch ist es etwa 25 Prozent leichter als bisher. Für eine ins All zu transportierende Rakete ist das besonders «gewichtig».

Als zusätzlichen Vorteil sehen die Experten beim Raketenbauer, dass sich über additive Fertigungsverfahren Innovationszyklen deutlich beschleunigen lassen. Bauliche Optimierungen, Designänderungen sowie die Herstellung von Testbauteilen in der Entwicklungsphase können im Vergleich zum Giessen ohne zeitlich aufwendige Werkzeugherstellung direkt aus den CAD-Daten in die Fertigung gebracht werden. Dauerte es ehemals etwa sechs Monate, bis ein Bauteil fertiggestellt war, so sind es jetzt nur noch wenige Tage. Deshalb können die Raumfahrtspezialisten in deutlich kürzeren Zyklen Bauteile optimieren und testen. Hinzu kommt, dass sie mit dem additiven Fertigen die komplette Produktionskette selbst durchlaufen und überwachen. Das schafft vor allem Vertrauen in die Qualität der hergestellten Bauteile. SMM

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