Big data game changer additive manufacturing voor luchtvaartindustrie

Airbus Helicopters geeft prioriteit aan de digitalisering van de volledige AM-workflow. Gebruik van big data maken het AM-proces namelijk pas echt industrieel.

Airbus Helicopters heeft al meer dan 3200 onderdelen 3D geprint voor moederconcern Airbus. Het gaat vooral om een vergrendelingsschacht in de vliegtuigdeuren, die in de AM-uitvoering 43 procent lichter zijn dan de traditioneel vervaardigde onderdelen. Ondanks deze serieproductie is additive manufacturing nog niet rijp voor grootschalige inzet, zegt Luis Martin Diaz, Vice President Head of Industrial Service Centers Germany bij de Airbus-dochter. Big data kunnen het verschil gaan maken. De titanium vergrendelingsschacht voor de Airbus A350 XWB is een van de eerste 3D geprinte metalen onderdelen die gecertificeerd zijn voor passagiersvliegtuigen. Eind 2018 heeft Airbus Helicopters in Donauwörth de productie hiervan op een EOS M 400-4 metaalprinter gecertificeerd; sinds de zomer van 2019 loopt de serieproductie. Zonder coronapandemie zouden dat er zo’n 2.200 per jaar zijn geweest. De voordelen voor de vliegtuigbouwer zijn evident: 43 procent lichter en 25 procent goedkoper (door functie-integratie) dan een met traditionele maaktechnologie geproduceerde vergrendelingsschacht. “In onze AM roadmap staan méér applicaties in en rond de vliegtuigdeur”, zo zei Luis Martin Diaz, hoofd Industrial Service Centers bij Airbus Helicopters, tijdens de MIC conferentie van het Manufacturing Innovations Center in Varel (D). “We hebben ook ideeën voor toepassingen in de helikopters.” Additive manufacturing heeft alles in zich om de onderdelen voor vliegtuigen beter te maken, door gewichtsreductie en door lagere recurring cost in de productie.

Het denken in een complete productieketen zit nog niet in het DNA van alle deelnemers, zoals de machinefabrikanten.

AM-ecosysteem

Toch poneerde hij tijdens deze conferentie de stelling dat additive manufacturing nog niet rijp is voor industriële inzet. De ervaringen die het AM-team heeft opgedaan met het productierijp maken van de vergrendelingsschacht voor AM, leert dat er een groot verschil is tussen de belofte van additive manufacturing en de realiteit. “Het ecosysteem moet voor de luchtvaartindustrie nog veel rijpen”, aldus de Airbus topman. Het is het verschil tussen machines die eigenlijk nog steeds gebouwd worden om onder laboratoriumomstandigheden te werken en de industriële, procesmatige aanpak die in de luchtvaarttoelevering wordt geëist. “Het denken in een complete productieketen zit nog niet in het DNA van alle deelnemers, zoals de machinefabrikanten”, aldus een kritische Luis Martin Diaz. “Ze moeten nog veel ontwikkelen op dit vlak.” Wat hij met name bedoelt, is de integratie van de printjobvoorbereiding en het feitelijke 3D printen in de totale workflow, van design tot en met kwaliteitscontrole en certificering. Hij maakte deze workflow inzichtelijk in zijn presentatie en plakte er cijfers op wat betreft de kosten. Het printen zelf inclusief poederhandling vormt slechts 21 procent van de recurring cost in de productie van de schacht. “79 procent van de kosten zit in de rest van het proces.” Deze laatste kosten worden echter wel beïnvloed door wat er aan de voorkant gebeurt, door beslissingen over het 3D printen die een engineer neemt.

Onderlinge afhankelijkheid

Luis Martin Diaz maakt dat duidelijk aan de hand van enkele voorbeelden. Supportmateriaal is belangrijk in het AM-proces. Maar: supportmateriaal moet verwijderd worden. Of je dat geautomatiseerd moet doen of telkens opnieuw per onderdeel de CNC machine moet programmeren scheelt een slok op de borrel qua kosten. Opspannen voor mechanisch nabewerken is een ander voorbeeld. Daar moet je vooraan in het traject, in de designfase, al rekening mee houden. Hoe goed of eenvoudig je kunt opspannen en nabewerken, hangt weer af van de wanddikte. Ook de verspaningsstrategie hangt hiervan af. En daar kunnen belangen tegenovergesteld aan elkaar zijn, maakte Luis Martin Diaz duidelijk in zijn presentatie. Voor gewichtsreductie wil je de wanddikte zo dun mogelijk houden, maar dat kan tot een instabiele opspanning in de nabewerking leiden. “Je moet dit beheersen, anders kun je niet optimaal verspanen en moet je dit wellicht in meerdere stappen doen of lukt het misschien zelfs helemaal niet om de gewenste kwaliteit te halen.” Nog een voorbeeld: het etsen van additief vervaardigde onderdelen wordt beïnvloed door de laagdikte, beter gezegd minimale verschillen in laagdikte.

De titanium veiligheidsschacht: boven het traditionele onderdeel dat samengesteld is uit meerdere componenten, onder het 3D geprinte onderdeel in één stuk geprint.(Foto’s: Airbus)

We verzamelen alle procesdata van elke stap in het AMproces en laten daar in Skywise analysetools op los.

Digitalisering en big data

De game changer voor additive manufacturing in de luchtvaartindustrie is in zijn ogen de digitalisering van het totale proces, zodat je met big data analyses de correlatie tussen de verschillende processtappen kunt zoeken. Als je erin slaagt om alle stappen aan elkaar te koppelen en overal data van hebt, kunnen er grote stappen worden gezet om het proces te versnellen en optimaliseren. “Wij verzamelen alle data van elke processtap en laten daar in Skywise (het Big Data systeem van Airbus) de analyses op los”, legt Luis Martin Diaz uit. “We zoeken naar verbanden tussen de data.” Een van de aspecten waar het AM-team van Airbus Helicopters onderzoek naar doet, is de relatie tussen de procesdata die het uit het OT-systeem van EOS haalt en de resultaten van de CT-scans van elk onderdeel. Luis Martin Diaz: “We willen minder testen met CT scans. Nu onderzoeken we 2.000 producten per jaar met de röntgentechnologie. Dat kan door de correlatie met de data tijdens het printen aan te tonen. Zo willen we nieuwe kwalificatiecriteria ontwikkelen.” Datzelfde geldt eigenlijk voor het hergebruik van het dure titaniumpoeder. Bij Airbus Helicopters vraagt men zich af of de kwaliteit echt wel afneemt als je meer poeder hergebruikt. Daartoe verzamelt men data over de hoeveelheid poeder die opnieuw wordt gebruikt, van welke batch deze afkomstig is, de correlatie met het zuurstofgehalte dat gemeten wordt tijdens het printen en dat in het eindproduct zit. Zo wil men beter inzicht krijgen in het effect van hergebruik van poeder op de eindkwaliteit om dan een gecalculeerd risico te kunnen nemen.

Digitalisering en big data: dat zijn de game changers in deze industrie. Airbus Helicopters werkt op dit vlak ook samen met de certificeringsinstanties. “Als we meer transparantie in het proces krijgen, kunnen we echt stappen maken. Additive manufacturing is de technologie die er komt in de toekomst. 3D metaalprinten bevestigt dat en kan alleen maar groeien, maar er is nog veel te doen om redundantie in het proces in te bouwen.”