Funkenerosion für mechanisch hochbelastete Titanstrukturbauteile – Produktlebensdauer und Ausfallwahrscheinlichkeit unter den charakteristischen Einsatzbedingungen der Raumfahrt (EDMTiSpace)

Detaillierte Untersuchung der Auswirkung des Drahtfunkenerosionsprozesses auf die Ausbildung der Oberflächenrandschicht

Laufzeit des Vorhabens: 01.07.2016 – 30.06.2018

Die Drahtfunkenerosion zählt zu den wichtigen Fertigungsverfahren für höchstpräzise Titanbauteile in der Raumfahrt. Besonders für Bauteile mit hohem Aspektverhältnis ist dieses Fertigungsverfahren alternativlos. Durch die prozessbedingt lokal eingebrachte Wärme wird allerdings die Randschicht des Bauteils beeinflusst. Die Zusammenhänge zwischen Bearbeitungsbedingungen, Randschicht und mechanischer Bauteilfunktionalität sind zwar qualitativ bekannt und ständige Entwicklungen in dieser Fertigungstechnologie minimieren diese Effekte signifikant. Dennoch ist die Anwendung von optimierten Drahtfunkenerosionsverfahren ohne Entfernung der erzeugten Randschichten zur Verwendung an kritischen Bauteilen in der Raumfahrt nach wie vor untersagt. Dieser konservative Ansatz vermindert derzeit unnötigerweise das Fertigungspotential von Drahtfunkenerosionsverfahren beträchtlich.

Die Entfernung der Randschichten bringt beträchtlichen Mehraufwand für den Fertigungsprozess mit sich und stellt ein erhöhtes Handling-Risiko für die teilweise sehr filigrane Hardware dar. Zudem werden Herstellungszeiten erhöht und für unterschiedliche Arten von Bauteilen werden individuelle Abtragprozesse und Kontrollschritte zum Nachweis der richtigen Abtragdicken notwendig. Bei sehr dünnwandigen Bauteilen, wie beispielsweise Aufhängungselementen sehr sensibler optischer Instrumente, stoßen herkömmliche Nachbearbeitungsverfahren an ihre Grenzen.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die detaillierte Untersuchung der Auswirkung des Drahtfunkenerosionsprozesses auf die Ausbildung der Oberflächenrandschicht bei halbunendlichen sowie filigranen Titanbauteilen (Ti6Al4V) mit hohem Aspektverhältnis und dem damit verbundenen Einfluss auf die Dauer- und Zeitfestigkeit der gefertigten Bauteile. Abbildung 1 zeigt anhand metallurgischer Untersuchungen die Auswirkungen einer Mehrschnitttechnologie wie sie derzeit in aktuellen Prozessen Anwendung findet. Die Technologie wird zur Minimierung der wärmebeeinflussten Randzone und der damit einhergehenden Verbesserung der Oberflächeneigenschaften eingesetzt.

Hauptschnitt und Nachschnitte in Draufsicht
Hauptschnitt und zwei Nachschnitte im Schliffbild der metallurgischen Untersuchung

Die Ergebnisse in Form von Design-Guidelines sollen im Idealfall in ein Update der von der Europäischen Weltraumbehörde ESA (European Space Agency) etablierten Standards, der ECSS (European Cooperation for Space Standardisation), einfließen und die Verwendung von neuesten Drahtfunkenerosionsprozessen für die Fertigung oben beschriebener Bauteile ohne Nachbearbeitung ermöglichen. Hauptziel des Vorhabens ist daher, das Potential von neuesten Drahtfunkenerosionsverfahren in vollem Umfang für die Herstellung dynamisch belasteter Titanbauteile im Hauptlastpfad von Satelliten und Satelliteninstrumenten nutzbar zu machen.

Auf Grund der weitreichenden und umfassenden Untersuchungen im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich  wird die Möglichkeit eines Technologietransfers in andere technische Bereiche sichergestellt. Die gewonnenen Erkenntnisse können etwa auf Fragestellungen und Probleme aus dem Bereich der Feinwerktechnik und der hochgenauen Positioniersysteme transferiert werden. Des Weiteren besteht in der Medizintechnik anhaltender Bedarf nach innovativen Lösungen, zu welchen das gewonnene Knowhow einen Beitrag leisten kann.

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