Die Wasserstrahlschneidtechnologie bringt Innovationen in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist führend in Design, Materialien und Fertigung. Es erfordert Vision und Mut sowie Ingenieure und Hersteller, die die harte Arbeit des Entwerfens, Prototypenbaus, Testens und Iterierens leisten. Prototyping bedeutet schnelle Iteration zur Validierung und Risikominimierung neuer Designs. In der Vergangenheit bedeutete dies, dass ein separates Team aus Modellbauern und Maschinenbedienern mit entsprechender Spezialausrüstung und komplexer Ausrüstung eingesetzt werden musste.

Immer mehr Unternehmen suchen nach einer besseren Option für die Herstellung von Prototypen: Sie bringen neue digitale Fertigungswerkzeuge in die Konstruktionsabteilung selbst ein. Mit diesen Tools können Ingenieure sofort und vor Ort Prototypen erstellen, ohne die Produktion auslagern oder unterbrechen zu müssen.

Zu dieser Ausrüstung gehören 3D-Drucker, CNC-Maschinen, Desktop-Laserschneider und seit neuestem auch Desktop-Wasserstrahldrucker. Das Desktop-Abrasiv-Wasserstrahlschneiden ist ein Prozess unter einer wachsenden Zahl von Technologien in einer Kategorie, die als digitale Desktop-Fertigungswerkzeuge bekannt ist. Das Konzept hat den Luft- und Raumfahrtdesignern neue Möglichkeiten eröffnet, die Zeit von der ersten Designidee bis zum Endprodukt drastisch zu verkürzen. Die digitale Desktop-Fertigung begann vor über einem Jahrzehnt mit Desktop-3D-Druckern. Diese eignen sich hervorragend zur Herstellung komplexer Teile aus verschiedenen Kunststoffmaterialien. Es folgten Desktop-Laserschneider, mit denen 2D-Teile aus weichen, dünnen Materialien wie Holz und Kunststoff hergestellt werden können. Diese Technologien ermöglichten es Ingenieuren, Prototypen von Wasserstrahlschneidern zu erstellen, die kürzlich auf den Markt kamen, und ermöglichten es Ingenieuren schließlich, Präzisionsteile aus jedem Material herzustellen, einschließlich Metallen, weichem und hartem Kunststoff, Glas, Kohlefaser oder jedem beliebigen Verbundwerkstoff.

Wasserstrahlen schneiden eine Reihe von Materialien, indem sie Ultrahochdruckwasser und Schleifpartikel in einer Düse bündeln und die Aufschlämmung auf das Werkstück strahlen. Da alle Materialien erodieren, erzeugen Wasserstrahlen in vielen Materialien, die 3D-Drucker, Laser oder CNC-Maschinen nicht verarbeiten können, präzise Prototypenteile mit einer hervorragenden Oberflächengüte. Da beim Wasserstrahlschneiden ein Kaltschneideverfahren zum Einsatz kommt, sind sie sicherer, da sie keine gefährlichen Dämpfe oder Staub erzeugen und zudem Hitzeschäden oder Verformungen der zu schneidenden Teile verhindern.

Diese Werkzeuge ermöglichen es Ingenieuren in der Luft- und Raumfahrt nun, Prototypen aus jedem Material intern und mit nie zuvor möglichen Geschwindigkeiten und Iterationszyklen herzustellen.

Verlagerung der Prototypenproduktion in die technische Abteilung

Die Verlagerung der Prototypenfertigung von einer separaten Modellbauwerkstatt auf die Arbeit mit den Ingenieuren kann den Zeitaufwand und das Fehlerrisiko sowohl bei der Prototypenerstellung als auch bei der Iteration reduzieren.

Zum Beispiel das interne Forschungs- und Entwicklungsteam vonAngewandte Systemtechnik in Florida entwickelt Kampfsysteme für die USAF und die USN. Sie stehen vor einer Reihe von Herausforderungen, darunter die Beschleunigung der Abwicklung von Teilen und Vorrichtungen, die Reduzierung der Kosten für diese kurzen Zeitpläne, der Schutz sensiblen geistigen Eigentums und die Einhaltung behördlicher Material- und Prozesszertifizierungsspezifikationen.

Das Unternehmen schnitt manuell Drohnenstrukturen aus Kohlefaser, Aluminium-Flügelholme und -Befestigungen für Raketen sowie Acryl für Gehäuse und Abdeckplatten, Vorgänge, die für jeden Artikel und jede Iteration Übergaben von der Technik an erfahrene Bediener erforderten.

Um den Prozess zu verbessern, führten sie beispielsweise digitale Desktop-Fertigungstools einWAZER , eine neue Desktop-Wasserstrahlschneidemaschine. Kellan Cannon, ein Elektroniker, sagte: „Wir haben speziell einen Wasserstrahl angeschafft, um Einzelstücke und schnelle Prototypen kostengünstiger und effizienter herzustellen. Der Plug-and-Play-Charakter dieser Maschine ist wichtig, da sie einfach zu bedienen ist und keine weitere geschulte Person für die Bedienung erforderlich ist.“

Wasserstrahlen werden in der Design- und Prototyping-Phase sowie zur Herstellung einiger Endverbrauchsteile eingesetzt, die für raue Kriegsbedingungen konzipiert sind. Da diese Tools es Ingenieuren ermöglichen, von Konstruktionszeichnungen zu Herstellungs-G-Code-Schnittdateien überzugehen, können die Ingenieure jetzt Teile selbst entwerfen, produzieren und iterieren, anstatt Entwürfe abzugeben und darauf zu warten, dass Produktionsbetriebe Prototypenteile zurückgeben.

Durch die stärkere Einbindung in die Prototypenproduktion erhalten Ingenieure schnelleres und besseres Feedback, das die Leistung des Endprodukts verbessert.

Erzielen einer höheren Iterationsgeschwindigkeit von Prototypen

Es kommt häufig vor, dass mehrere Prototypen iteriert werden, um Produktdesigns zu verfeinern und Risiken zu minimieren. Dies gilt insbesondere für die Luft- und Raumfahrt. Allerdings erhöhen wiederholte Prototypenzyklen Zeit, Kosten und Fehlerrisiko, was ein Projekt gefährden kann.

Durch die interne Produktion von Prototypen können Luft- und Raumfahrtunternehmen die Iteration ihrer Prototypen tatsächlich beschleunigen und auch Mikroiterationen durchführen, um bestimmte Produktvarianten zu testen.

Howe Industries entwickelt ein einzigartiges wasserbasiertes Antriebssystem für kleine Forschungsraumfahrzeuge. Ihre bevorstehende kommerzielle Veröffentlichung erfordert eine extreme Häufigkeit unterschiedlicher Prototypen. Jack Miller, leitender Ingenieur für Forschung und Entwicklung, sagte, dass die zahlreichen Designzyklen erfordern, dass „wir oft mehrmals am Tag dasselbe Teil iterieren“ und „das Tempo für Tests und Produktion erheblich beschleunigt wird“.

Dieses Tempo beim Prototyping konnte nur mit internen Ressourcen erreicht werden. Zur präzisen Herstellung von Prototypenteilen aus leichten und manchmal exotischen Materialien wurde eine Desktop-Wasserstrahlanlage installiert.

Da Wasserstrahlen jedes Material schneiden können, kann die Maschine bei Howe Industries an einem normalen Tag zum Schneiden von Aluminiumteilen für Satellitenantriebe, Prüfständen aus Kohlefaser oder sogar Keramik und Borosilikatglas für ein optisches System verwendet werden. Die hauseigenen digitalen Desktop-Fertigungswerkzeuge, einschließlich des Wasserstrahls, sind für die schnelle Prototypenerstellung von Raumfahrtkomponenten von entscheidender Bedeutung. Das Entwicklungsteam musste nicht mehr darauf warten, dass externe Anbieter kostspielige und zeitaufwändige Prototypen lieferten, sondern nutzte einen viel schnelleren internen Prozess, der es ihm ermöglicht, bei Bedarf Iterationen durchzuführen, um seine Entwürfe zu optimieren.

Komplexe Produktion im Zeitplan halten

Jede Luft- und Raumfahrtmission basiert auf Tausenden miteinander verbundenen Komponenten, von denen jede als separate Einheit sowie in End-to-End-Systemtests entworfen und getestet werden muss. Spezifikationsänderungen an einer Komponente können sich auf andere Komponenten auswirken und erfordern neue Design- und Testzyklen. Oder wenn Komponenten aufgrund von Outsourcing-Verzögerungen oder Unterbrechungen in den Lieferketten für Materialien oder Fertigung verspätet sind, kann dies Auswirkungen auf andere Baugruppen und die gesamte Mission haben.

Mit der neuen digitalen Desktop-Fertigung können Unternehmen Design, Prototyping und Tests intern und in die Konstruktionswerkstatt verlagern, um dafür zu sorgen, dass komplexe Projekte integriert und termingerecht bleiben. Darüber hinaus können Unternehmen mithilfe derselben digitalen Desktop-Fertigungstools Kleinserien intern produzieren.

Ein Unternehmen, das NASA-Komponenten liefert, hat für einige seiner fertigen Produkte die digitale Desktop-Fertigung übernommen. Sie führten einen Wasserstrahl ein, um eine schlanke Produktion für Teile aus Aluminium, Titan, Edelstahl, verschiedenen Verbundwerkstoffen und Polymeren zu ermöglichen.

Das Unternehmen konnte einen engen Projektzeitplan einhalten, indem es Teile im eigenen Haus fertigte, ohne Probleme in der Lieferkette zu haben oder Zeit für die Einholung konkurrenzfähiger Angebote aufzuwenden. Im Gegensatz zur herkömmlichen Fertigung sind für Wasserstrahl- und andere neue digitale Desktop-Fertigungsgeräte keine teuren Werkzeuge oder zertifizierten Bediener erforderlich. Als Tischgeräte sind sie zudem deutlich günstiger als herkömmliche WasserstrahlgeräteDas Unternehmen sagte: „Die Maschine hat sich in nur zwei oder drei Monaten amortisiert.“

Vorbereitung der Luftfahrtingenieure der Zukunft

Die heutigen Ingenieurstudenten werden die Luftfahrtsysteme entwerfen und bauen, die in Zukunft fliegen werden. Diese Studenten und ihre Lehrkräfte sind begierig auf praktische Projekte, die den Studenten das Thema näherbringen

neue Technologien und die tatsächlichen Materialien, die sie nach ihrem Abschluss verwenden werden. Ebenso braucht die Luft- und Raumfahrtindustrie neue Absolventen, die in der Schule ausgebildet und darauf vorbereitet werden, reale Probleme anzugehen.

Digitale Desktop-Fertigungswerkzeuge wie 3D-Drucker und Wasserstrahldrucker helfen Schulen dabei, den Schülern realistische Aufgaben und projektbasiertes Lernen zu ermöglichen. Da sie erschwinglich und kompakt sind, können Schulen in jedem Labor mehrere Fertigungsmaschinen installieren, sodass mehr Schüler gleichzeitig an Projekten arbeiten können. Darüber hinaus ist diese Ausrüstung im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsmaschinen sicherer und ermöglicht es den Schülern, mit jedem Material zu experimentieren, von Leichtmetallen bis hin zu Verbundwerkstoffen. Desktop-Wasserstrahlgeräte sind in der Regel erschwinglich und außerdem viel kleiner als herkömmliche Wasserstrahlgeräte, sodass sie in die Laborumgebung passen.

Die University of Colorado Boulder installierte eine Wasserstrahlmaschine in ihrem neuen Gebäude von Smead Aerospace Engineering. Matt Rhode ist der Maschinenwerkstattleiter dort und sagte: „Die Studenten lassen sich alles einfallen … also müssen wir in der Lage sein, diesen Bedarf zu decken.“

Prototypen für die Zukunft der Luft- und Raumfahrt, Stück für Stück

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist dynamisch und erweitert durch Menschen mit mutigen Visionen und Designs ständig die Grenzen. Um diese mutigen Ideen in die Realität umzusetzen, sind moderne Fertigungssysteme und komplexe Materialien erforderlich, die es Ingenieuren ermöglichen, eine Idee zu konzipieren und zu sehen, wie sie gebaut, getestet und vielleicht schließlich in die Luft gegriffen wird.

Digitale Desktop-Fertigungsgeräte, von 3D-Druckern über Desktop-Laser bis hin zu erschwinglichen Wasserstrahldruckern, meistern diese Herausforderung. Mit diesen Werkzeugen können Ingenieure am selben Tag ein Teil entwerfen, fertigen und testen. Sie können die Zykluszeiten für die Iteration und Verfeinerung von Produkten verkürzen und so eine bessere Leistung des Endprodukts erzielen, und sie können intern produzieren, um komplexe Projekte im Zeitplan und im Budget zu halten.

Die Zukunft der Luft- und Raumfahrt wird täglich weiterentwickelt, mithilfe neuer digitaler Desktop-Fertigungstechnologien wie Desktop-Wasserstrahlen.

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