Natavování vrstev práškových kovů laserem nabývá stále více na významu v leteckém průmyslu. Krátká doba výroby a dosud nepředstavitelné možnosti konstrukčního provedení tvarů jsou pádnými argumenty pro volbu tohoto výrobního procesu. Dvě nová klíčová slova, „lehké“ a „bionické“, poukazují na vznikající trend: aditivní výroba poskytuje základ pro nový proces, který mění dosavadní konstrukční zásady. Pokud jde o konstrukci letadel, budoucí součásti budou schopny respektovat průběhy siločar a umožní další odlehčení konstrukce. Svou trvanlivostí a šetrností k přírodním zdrojům současně přispějí k celkovému zlepšení struktury výrobních nákladů. Konzole používaná v Airbusu A350 XWB byla oceněna jako finalista soutěže o Inovační cenu německého průmyslu 2014. V očích poroty tento mezioborový projekt představuje revoluční způsob, jak lze vyrábět součástky pro civilní letadla při uplatnění zásad lehkých konstrukcí. Dosud se tyto díly frézovaly z hliníkových slitin (Al). Nyní je však lze stavět z titanu (Ti) s tím, že se podařilo snížit hmotnosti o více než 30 %. Nové konstrukční přístupy k nosným prvk ům letadel Argumenty ve prospěch vrstveného laserového spékání práškových kovů při stavbě letadel jsou geometrická volnost a snížení hmotnosti. Aplikace zásad „odlehčených konstrukcí“ by měla leteckým společnostem napomoci k ekonomičtějšímu provozu. Proti přejímání stávajících nosných prvků stojí dosažitelné výsledky redukce hmotnosti, a tím i nižší spotřeba paliva nebo zvýšení nosnosti letadla. Nově konstruovaná letadla však vyžadují instalaci tisíců konzol pro provádění letových testů (FTI). Držáky jsou vyráběny v malých sériích a v mnoha provedeních. Aditivní výroba po vrstvách umožňuje konstruktérům přijít s novými tvary. Díly zhotovené aditivní metodou jsou ve skutečnosti v porovnání s dosavadními odlitky nebo konvenčně obráběnými díly více než o 30 % lehčí. Kromě toho jsou CAD data přímým podkladem pro aditivní způsob realizace. Zhotovení součásti bez nástrojů snižuje náklady a zkracuje průběžnou dobu výroby o 75 %. Vzhledem k tomu, že v aditivním procesu nejsou nástroje zapotřebí, je nyní možné již v rané fázi vývoje mít k dispozici funkční vzorky dílu odpovídající sériově vyráběným komponentům. To probíhá bez počátečních investic do nástrojů a přípravků. Případné chyby lze odkrýt v raných fázích vývoje nové konstrukce a optimalizovat procesy v rámci projektu jako celku. „Dříve jsme plánovali šest měsíců na vývoj komponentu – nyní je to pouhý jeden měsíc,“ uvedl Peter Sander, ředitel nových technologií a konceptů ve společnosti Airbus. Zelené technologi e šetří přírodní zdroje Tradiční obrábění leteckých součástek má za následek přeměnu až 95 % hmoty polotovaru na recyklovatelný odpad. S laserovým spékáním ve vrstvách uživatel obdrží komponenty s téměř konečnými tvary a proces produkuje jen asi 5 % odpadu. „V leteckém průmyslu pracujeme s poměrem ,buy to fly‘ a 90 % je fantastická hodnota. Samozřejmě že tato hodnota se také odráží v pozitivní energetické bilanci,“ říká prof. Dr. Ing. Claus Emmelmann, generální ředitel hamburské společnosti Laser Zentrum Nord. To činí proces obzvláště atraktivním pro práci s kvalitními a drahými leteckými materiály, jako je titan. Výrobní strategie bez nástrojů šetří čas a zlepšuje skladbu nákladů. Cílená spotřeba energie a šetření zdrojů jsou základní přednosti procesu tavení laserem. „LaserCUSING® je zelenou technologií a redukuje často diskutované ekologické následky výroby,“ domnívá se Frank Herzog, výkonný ředitel a prezident společnosti Concept Laser. Konstrukce letadel jako hnací motor změn Obecně lze říci, že použití procesu tavení laserem pozitivně ovlivňuje výrobní náklady v kusové a malosériové výrobě dílů. „Z hlediska nákladů jsou úvahy o velikosti dávky při konstrukci letadel mnohem důležitější než u objemové výroby,“ podotýká Peter Sander. Aditivní proces například vylučuje vysoké investiční náklady slévárenských forem, stejně jako veškeré náklady na nástroje, které mohou být pro opracování požadovány. Kromě toho laserový aditivní výrobní proces nabízí větší volnost v konstrukci součásti než použití konvenčních výrobních postupů. Zpětné zápichy nebo vnitřní kanálky, např. chladicí, nejsou problémem. Na letadle je množství dílů s chlazením nebo vyhříváním, složité hydraulické prvky i mechanicky namáhané konstrukční díly. Prof. Dr. Ing. Emmelmann k tomu říká: „Vidím velký potenciál zejména pro konstrukční díly s rozměry až do jednoho metru stejně jako pro součástky motorů.“ Existuje samozřejmě i možnost mechanického montování větších celků až k hranicím fyziky. Za pozornost stojí, že dříve nepředstavitelné geometrie lze nyní kombinovat s funkčními prvky napoprvé. Tok sil ve složce je možné určit velmi přesně již v CAD návrhu. Obecně platí, že laserová technologie tavení dokáže vyrobit komponenty související s bezpečností, které jsou efektivnější, lehčí a odolnější než komponenty, které byly dosud k dispozici. Vlastnosti materiálu se navíc liší jen nepatrně. Prof. Dr. Ing. Emmelmann upřesňuje: „Materiály vyrobené za použití laserového aditivního spékání mají větší tuhost, menší tažnost, to je ale možno korigovat následným tepelným zpracováním.“ Dodávky náhradních dílů: včasné , decentralizovaně až na vy žádání Problematika zajištění náhradních dílů otevírá široké pole pro „aditivní astronauty“. V budoucnu bude možné vyrábět náhradní díly v decentralizovaných lokalitách „až na vyžádání“ a bez potřeby speciálního nářadí. V případě selhání součásti mohou být náhradní díly vyrobeny přímo tam, kde jsou třeba. Síť výrobních závodů může zohledňovat jak globální, tak i a regionální strategie. Přednostmi výroby náhradních dílů pomocí aditivních metod je zkrácení přepravních vzdáleností a především zkrácení dodacích lhůt. Výsledkem pak je zkrácení prostojů při údržbě i časů vlastních revizí letadla. V blízké budoucnosti bude možné výrazně zmenšit velké sklady náhradních dílů s malou obrátkou používaných dílů, které v současné době hrají důležitou roli vzhledem k dlouhé životnosti dnešních letadel. Snížení kapitálového zatížení díly na skladě pak zvýší pružnost a hlavně zjednoduší systém skladování dílů s krátkou životností. Atraktivita těchto záměrů se projevuje již nyní zejména s ohledem na tlaky snižování nákladů v současných podmínkách letecké dopravy. Bionik a v konstrukci součástí i v design u produktu Spékání kovů laserem umožňuje extrémně snadno vytvářet a zhotovit porézní takzvané kostní struktury, které jsou vyžadovány. „Budoucí díly letadel budou mít ,bionický vzhled‘, říká prof. Dr. Ing. Emmelmann. V průběhu milionů let příroda postupně utvářela a optimalizovala biologické funkční a lehké stavební prvky v organických strukturách, které respektují místní podmínky a zdroje. Airbus v současné době analyzuje řešení nalezená v přírodě s ohledem na jejich použitelnost. Spoléháním se na „inteligentní expoziční strategie“ laseru se mohou aplikovat vrstvy součásti strategickým způsobem s cílem vytvoření unikátních vlastností z hlediska struktury, pevnosti a kvality povrchu. „První prototypy ukazují velký potenciál bionicky motivovaného přístupu zohledňující veškeré bezpečnostní požadavky. Lze očekávat výrazné změny paradigmatu v oblasti konstrukce a výroby,“ říká Peter Sander. Únavová pevn ost jako výchozí parametr „V současné době existují jistá omezení této technologie, neboť postup a nastavení podmínek vyžaduje kompromisy, zejména s ohledem na dosažení kvality povrchu, která je však srovnatelná s odlévanými díly,“ říká prof. Dr. Ing. Emmelmann. Tyto kompromisy v preferenci jakosti povrchu například způsobují výrazné snížení únavové pevnosti právě u titanu. Tento parametr je však zásadní pro konstrukční díly ve výrobě letadel, které jsou vystaveny vysokému namáhání. V úvahu je nutné vzít nejen vysoká zatížení, kterému jsou letadla vystavena, ale i jejich extrémně dlouhou životnost (více než 30 let). Následné tepelné zpracování spolu s dalšími metodami povrchových úprav, jako je mikrootryskávání, může výrazně zvýšit únavovou pevnost. „Výsledkem musí být dosažení vlastností válcovaného materiálu,“ uvádí Dr. Ing. Emmelmann. Kvalita jako významný parametr Pro výrobce letadel je monitorování procesu ve fázi stavby součásti jedním z nejdůležitějších aspektů průmyslové aplikace. Peter Sander vysvětluje: „V praxi zajišťujeme Inline Monitoring procesu prostřednictvím modulu QMmeltpool. QM modul vyvinutý Concept Laserem monitoruje proces tavení na velmi malé ploše 1 mm2 a za pomocí kamery a fotodiody je proces dokumentován.“ QM moduly, jako jsou QMmeltpool, QMcoating, QMatmosphere, QMpowder a QMlaser, jsou základními nástroji pro aktivní zabezpečování jakosti průběhu stavby dílu. Slouží k měření výkonu laseru, stavu taveniny, rovnoměrnosti nanesení kovového prášku a průběžně monitoruje a dokumentuje celý výrobní proces. Dodejme, že v oblasti zabezpečování jakosti pracujeme se zpětnou vazbou v uzavřeném systému, který zaručuje bezvadný průběh procesu bez volných částic a nečistot. Veškeré rušivé vlivy, které by mohly negativně ovlivnit kvalitu procesu, jsou takto vyloučeny. „Dnes můžeme mluvit o kontrolovaném výrobním procesu se zajištěnou opakovatelností, přesností a spolehlivostí procesu,“ vysvětluje Frank Herzog a prof. Dr. Ing. Emmelmann zdůrazňuje: „QS Software nám nyní umožňuje sledovat a dokumentovat klíčové údaje, jako například laserové parametry, parametry tavné lázně, stejně jako složení atmosféry inertního plynu. Poruchy v důsledku nehomogenity tak mohou být eliminovány. V probíhajícím výzkumném projektu vyvíjíme na dalším vlastním konceptu zajišťování kvality, které je založeno mimo jiné na využití optické koherentní tomografie.“
