Die besonderen Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie an den 3D-Druck
Die Luft- und Raumfahrtindustrie gehört zu den ersten und zugleich strengsten Bereichen, in denen 3D-Drucktechnologien eingesetzt werden. Der kompromisslose Anspruch der Branche an Sicherheit und Zuverlässigkeit macht den Eintritt in diese Lieferkette äußerst anspruchsvoll. Das Qualitätsmanagementsystem AS9100, die Zertifizierung besonderer Verfahren durch NADCAP, die Lufttüchtigkeitszertifizierung und eine Reihe weiterer Compliance-Anforderungen bilden eine hohe Eintrittsbarriere, die 3D-Druck-Dienstleister überwinden müssen. Die Folgen eines Ausfalls von Luft- und Raumfahrtteilen sind oft katastrophal, weshalb die Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Fertigungsprozesse weit über denen der allgemeinen Industrie liegen. Am Beispiel des Metall-3D-Drucks gilt: Die Porosität von Luftfahrtteilen muss in der Regel unter 0,2 % liegen, in kritischen Bereichen wird sogar vollständige Dichtheit gefordert; die Prüfung innerer Fehler muss mittels industrieller CT erfolgen, wobei die Messgenauigkeit Defekte von mehr als 50 Mikrometern erkennen können muss; außerdem müssen für jede Bauteilcharge zerstörende Prüfungen durchgeführt werden, um die Konsistenz der mechanischen Eigenschaften zu verifizieren.
Materialzertifizierungssystem und Datenpaket-Management
In der Luft- und Raumfahrt-Lieferkette ist die Materialzertifizierung der erste Schritt. 3D-Druck-Materialien dürfen nicht nur mit einem Konformitätszertifikat des Lieferanten geliefert werden, sondern müssen auch die Materialnormen des Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie erfüllen. Die Materialzertifizierung umfasst in der Regel die Analyse der chemischen Zusammensetzung, mechanische Prüfungen, Untersuchungen der Mikrostruktur sowie die Verifizierung der Chargenkonsistenz. Das Materialdatenpaket ist das zentrale Lieferobjekt der Materialzertifizierung. Ein vollständiges Materialdatenpaket sollte das Materialspezifikationsblatt, die Prozessspezifikation, Prüfberichte zu den Eigenschaften, Charakterisierungen der Mikrostruktur sowie Daten zur statistischen Prozesskontrolle enthalten. Bei metallischen Pulvermaterialien müssen zudem historische Daten zu Partikelgrößenverteilung, Sphärizität, Sauerstoffgehalt und Fließfähigkeit bereitgestellt werden. Der Aufbau und die Pflege eines Materialdatenpakets sind eine langfristige Aufgabe, die kontinuierliche Datenerfassung und Dokumentenmanagement erfordert.
Prozessqualifizierung und Erstmusterprüfung
Die Prozessqualifizierung ist der Nachweis, dass der Druckprozess zuverlässig qualifizierte Bauteile herstellen kann. In der Luft- und Raumfahrt folgt die Qualifizierung in der Regel strengen Vorgaben. Der Qualifizierungsprozess umfasst die Festlegung des Parameterfensters, die Durchführung von Prozessfähigkeitsuntersuchungen, die Erstmusterprüfung sowie die Erstellung eines Prozesskontrollplans. Die Erstmusterprüfung ist ein zentraler Bestandteil der Prozessqualifizierung. Sie verlangt, dass das erste Serienbauteil vollständig vermessen und funktional geprüft wird, um sicherzustellen, dass alle Konstruktionsanforderungen erfüllt sind. Der Erstmusterprüfbericht enthält in der Regel vollständige Maßprüfdaten, Ergebnisse der Materialprüfungen, Berichte über zerstörungsfreie Prüfungen sowie eine Konformitätserklärung. Nach bestandener Erstmusterprüfung wird die jeweilige Prozessparameterkombination festgeschrieben; die anschließende Produktion muss sich strikt daran halten.
Qualitätssystem: AS9100 und NADCAP
AS9100 ist ein auf ISO 9001 basierender Standard für Qualitätsmanagementsysteme in der Luft- und Raumfahrt, der die besonderen Anforderungen der Branche ergänzt. Eine AS9100-Zertifizierung ist die Voraussetzung für den Zugang zur Luft- und Raumfahrt-Lieferkette. Der Zertifizierungsprozess umfasst den Aufbau einer Dokumentation des Qualitätsmanagementsystems, die Durchführung interner Audits, die Prüfung durch eine externe Zertifizierungsstelle sowie fortlaufende Überwachungsaudits. NADCAP ist ein Zertifizierungsprogramm für spezielle Verfahren in der Luft- und Raumfahrt, das 18 Fachbereiche wie Wärmebehandlung, zerstörungsfreie Prüfung, Werkstoffprüfung und Beschichtungen abdeckt. 3D-Druck als besonderes Verfahren befindet sich derzeit schrittweise im Aufbau der NADCAP-Zertifizierung. Eine NADCAP-Zertifizierung ist zwar schwierig zu erreichen und mit hohen Kosten verbunden, aber auch ein wichtiger Weg für Unternehmen, sich in der Luft- und Raumfahrt-Lieferkette differenzierte Wettbewerbsvorteile zu verschaffen.
Lufttüchtigkeitszulassung und Bauteilfreigabe
Die Lufttüchtigkeitszulassung ist die letzte Hürde für die kommerzielle Nutzung von Luft- und Raumfahrtbauteilen. Für 3D-gedruckte Bauteile umfasst der Zulassungsweg in der Regel die Freigabe der Materialspezifikation, die Freigabe der Prozessspezifikation, die Freigabe der Bauteilfertigung sowie ein ergänzendes Musterzulassungszeugnis. Der Kern der Bauteilfreigabe besteht darin, die Gleichwertigkeit nachzuweisen, also zu belegen, dass die Eigenschaften des 3D-gedruckten Bauteils nicht unter denen des ursprünglichen Konstruktionsbauteils liegen. Der Nachweis der Gleichwertigkeit erfordert in der Regel umfangreiche Vergleichsdaten, einschließlich statischer Festigkeit, Ermüdungsverhalten und Umweltbeständigkeit. Für sicherheitskritische Strukturbauteile sind zudem großmaßstäbliche Strukturversuche erforderlich, um die Grenzlastfähigkeit zu verifizieren. Der gesamte Zulassungsprozess kann 1 bis 3 Jahre dauern und Investitionen in Höhe von mehreren Millionen US-Dollar erfordern. Sobald die Freigabe jedoch erteilt ist, erhält das Bauteil langfristig stabile Aufträge, und die Kapitalrendite ist sehr attraktiv.
Rückverfolgbarkeitsmanagement und Dokumentationssystem
Die Luft- und Raumfahrtindustrie stellt höchste Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit von Produkten. Jedes Bauteil muss bis zu seiner ursprünglichen Materialcharge, der Produktionsanlage, den Prozessparametern, dem Bedienpersonal, den Prüfergebnissen und den Lieferunterlagen zurückverfolgt werden können. Eine vollständige Rückverfolgungskette ermöglicht es, bei Problemen mit einem Bauteil die Ursache schnell zu identifizieren und Korrekturmaßnahmen einzuleiten. Das Dokumentationssystem ist die Grundlage des Rückverfolgbarkeitsmanagements. Die Menge an Dokumenten, die bei Luft- und Raumfahrtprojekten entsteht, ist die eines gewöhnlichen Industrieprojekts
Reichen Sie ein Modell, eine Zeichnung, ein Bild oder schriftliche Notizen ein. Ingenieure prüfen Material, Verfahren, Endbearbeitung und Lieferung basierend auf der tatsächlichen Anwendung.