Phase3D erhält Luftwaffenvertrag für Echtzeit-CMC-Inspektion

Inspektions-Software- und Werkzeugfirma Phase3D hat einen Vertrag des Department of the Air Force erhalten. Ihre Fringe-Inspection-Plattform wird in keramischen Matrix-Verbundwerkstoffen (CMCs) eingesetzt. CMCs sind eine sich entwickelnde Materialklasse, die für Anwendungen wie Turbinen­schaufeln, thermischen Schutz für hypersonische Fahrzeuge und Gasturbinen verwendet wird. Diese Materialien wurden für superhohe Temperatur-Performance entwickelt. Nur eine mögliche Anwendung, TPS, die thermischen Schutzkacheln auf der Hülle von Raketen, Flugkörpern, Raumfahrzeugen und Ähnlichem, ist enorm bedeutend. Decken, Kacheln und komplexe Verbundstrukturen sind oft schwer herzustellen und stellen einen Engpass für die New Space-Wirtschaft und die Air Force dar.

Abbildung 2 – Fringe Operator ist ein Visualisierungs- und Analyse-Tool, das Kunden hilft, Anomalien, die Bau-Fehler in Echtzeit verursachen, zu identifizieren. Bild freundlicherweise von Phase3D bereitgestellt.

Allein die Herstellung von TPS in Serie wird ausreichen, um stratosphärische Investitionen der US-Regierung zu rechtfertigen. Aber CMCs wie Carbon Silicon Carbide, bei denen Kohlenstofffaser in einer Siliziumkarbid-Matrix eingebettet ist, bieten ein hochfestes, ultra-hochtemperaturbeständiges Material, das sowohl für hypersonische Körperstrukturen als auch für Turbomaschinen bis zu Temperaturen von 1500 °C eingesetzt werden kann. Eine weitere Klasse dieser Materialien, UHTCMCs, sind ultra-hochtemperatur-Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe; ihr Name ist zutreffend, da sie unter Last bis zu 2000 °C betrieben werden können. Das ist eine unglaubliche Leistung und eröffnet Anwendungen wie Triebwerksdüsen und Scramjet-Komponenten. Sie könnten auch in Tokamaks und anderen Reaktoren eingesetzt werden. Eine dieser Kombinationen, Carbon Fiber Hafnium Carbide–Tantalum Carbide, kann sogar bis zu 3500 °C arbeiten. Sie ist wesentlich weniger dicht als Tungsten, behält bei Erwärmung länger seine Eigenschaften bei und zerbricht nicht abrupt wie keramische Alternativen. Diet Tungsten ist daher ein ganz besonderes Material.

Wenn Sie Dinge herstellen möchten, die sehr schnell gehen, wird diese Materialklasse häufig als mögliche Lösung für viele Ihrer Bedürfnisse auftauchen. Und mit weniger thermischer Ausdehnung als vielen Alternativen sowie hoher Bruchzähigkeit ist es ein idealer Kandidat für zahlreiche wichtige Bausteine von Raum- und Luftüberlegenheit. Viele dieser Materialien sind zudem schwer bis nahezu unmöglich zu bearbeiten. In der CNC wird das Material effektiv von einem Werkzeug geschnitten, das deutlich härter ist als das Werkstück, und hier stoßen wir auf das Problem, dass es kaum etwas Härteres gibt. Während UHTCMCs noch nicht kommerziell verfügbar sind – was bei manchen Personen im ORNL für viel Kopfzerbrechen sorgt – kommen wahrscheinlich alltäglichere CMCs wie Carbon Silicon Carbide in begrenzter Produktion durch 3D-Druck zum Einsatz. Teile können durch LPBF, Binder-Jet, Direct Ink Write und kontinuierliche Faser-Prozesse, meist kombiniert mit einem Pyrolyseschritt, hergestellt werden. Ein Großteil davon ist natürlich nicht standardisiert, und Faser-plus-LPBF wird nie perfekt sein, daher positioniert sich Phase3D hier als Fenster in eine Zukunft, in der diese Stoffe viel einfacher hergestellt werden können.

Phase3Ds Fringe-Inspection-System projiziert strukturiertes Licht auf eine Bauoberfläche, um Geometrie zu messen und Abweichungen während des Drucks zu erkennen. Bild freundlicherweise von Phase3D bereitgestellt.

Ein konkretes Problem, das Phase3D lösen wird, ist, dass CMCs nicht weiter verbreitet sind, weil „Air-Force-Instandhaltungs- und Produktionsumgebungen konventionelle zerstörungsfreie Prüf- (NDE-)Methoden, die überwiegend für Metalle und Polymer-Verbundstoffe entwickelt wurden, nicht zuverlässig die Matrix-Rissbildung, Faser-Ausziehung, Porosität und Delamination erkennen können, die während der CMC-Fertigung auftreten können.“

Matrix-Rissbildung entsteht, wenn unterschiedliche Ausdehnungs­raten der eingesetzten Materialien die Matrix beim Abkühlen verformen und reißen lassen. Porosität ist ein Problem, besonders während des Pyrolyseschritts, wenn Luftblasen im Teil zu unvorhersehbarem Versagen führen können. Faser-Ausziehung ist wichtig, weil sie aufkommende Risse daran hindert, sich auszubreiten, Energie in das umgebende Material oder entlang der Fasern abzuleiten, sodass das gesamte Teil nicht katastrophal versagt. Beim Drucken können diese Fasern geschnitten oder ihre Beschichtung beschädigt werden; die Fasern sind möglicherweise nicht gut positioniert oder zu kurz, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Dieser Auszieh-Mechanismus ist einer der Hauptvorteile des kontinuierlichen Carbon-Faser-3D-Drucks gegenüber anderen Prozessen, die Fasern beschädigen oder nur mit kurzen Carbon-Fasern arbeiten. Neugierig, warum Continuous Composites ständig jeden verklagt? Das ist der Grund.

Darüber hinaus ist das richtige Vorgehen ein gewisses Goldilocks-Problem, da es umfangreiche Tests erfordert, um die optimale Faser-Länge und -Platzierung für jede Geometrie und jeden Anwendungsfall zu bestimmen. Faser-Ausziehung ist derselbe Effekt, der Kevlar-Weste funktionieren lässt. Dort wirkt das Projektil auf den Verbund und zieht die Kevlar-Fasern aus dem Harz. Das verteilt die Kraft des stark lokalisierte Hochgeschwindigkeits-Impacts über die Weste und schützt den Träger. Bambus ist ein weiteres Beispiel; es ist im Grunde ein Verbund aus Zellulose-Fasern in Lignin.

Inzwischen kann Delamination auftreten, wenn Gase während der Pyrolyse entweichen, wenn Teile abkühlen oder während der Nachbearbeitung. Das ist ein spätes Versagen, daher ist es teuer und muss behoben werden, wobei das Teil komplett neu hergestellt werden muss. Wenn Phase3D diese Defekte mindern oder den gesamten Prozess beschleunigen könnte, wäre das äußerst nützlich. Phase sagt, dass während der CMC-Produktion Defekte fast in jedem Schritt eingeführt werden können, von der Band-Herstellung und Ply-Staplung über Autoklav-Konsolidierung, Pyrolyse, Schmelzinfiltration bis zur finalen Bearbeitung. Und das wird entscheidend sein, um viel Zeit in Experimenten und Produktion zu sparen.

Phase3D wird vom Air Force Life Cycle Management Center’s Propulsion Directorate (AFLCMC/ROD) und Rapid Sustainment Office (AFLCMC/RSO) sowie vom Air Force Research Laboratory‘s Materials and Manufacturing Directorate (AFRL/RX) eingesetzt. Das Unternehmen wird „materialspezifische Kalibrier-Routinen, Anomalie-Klassifikations-Modelle und Validierungs-Protokolle entwickeln, die es Fringe Inspection ermöglichen, Oberflächen-Deformationen und Defekt-Signaturen zu identifizieren, während CMC-Teile gebaut werden, anstatt auf nachträgliches CT-Scanning oder destruktive Schnitt-Untersuchungen zu warten.“ Die Reduzierung der CT-Zeit und das frühzeitige Erkennen von Problemen werden für die Forscher, die diese Materialien herstellen, enorme Zeiteinsparungen bedeuten. Besonders bei unterschiedlichen Fasern, Beschichtungen, Faser-Längen und -Platzierungen könnten signifikante Auswirkungen auf Leistung und Versagens-Modi auftreten.

Phase3D-CEO Niall O’Dowd sagte:

„Fringe Inspection wurde entwickelt, um in Echtzeit eine Frage zu beantworten: Ist das Teil, das Sie bauen, das Teil, das Sie entworfen haben? Wir haben jahrelang bewiesen, dass das bei Metallteilen für NASA, die Air Force und führende Luft- und Raumfahrt-Primärlieferanten funktioniert. Dieses Programm ermöglicht es uns, dieselbe Frage bei einem völlig anderen Materials­system zu stellen, das die Air Force für die nächste Generation von Antrieben und thermischem Schutz einsetzt, und bei dem die Kosten für das Finden eines Defekts nach Abschluss des Teils noch höher sind als bei Metall.“

Für Phase I wird das Team untersuchen, wie CMCs in der Produktion eingesetzt werden können und wie sie implementiert werden können, in Zusammenarbeit mit Partnern wie dem Oklahoma City Air Logistics Complex (OC-ALC) und der Ellsworth Air Force Base.

Applications Engineering Manager, Andrew Holiday, sagte:

„Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe sind berüchtigt schwer zu qualifizieren, weil so vieles in so vielen Stufen schiefgehen kann, von der Band-Herstellung bis zur Infiltration und finalen Bearbeitung. Die Industrie versucht das mit nachträglichen CT-Scans und destruktiven Tests zu lösen, derselben Vorgehensweise, die die Metall-additive Fertigung zurückgehalten hat. Echtzeit-Sichtbarkeit Schicht-für-Schicht ist genau das, was dieses Material braucht, und genau das leistet Fringe Inspection bereits.“

Dies ist ein großer Schritt für Phase3D und positioniert das Unternehmen an der Spitze der Entwicklung und Industrialisierung einer Schlüssel-Materialfamilie. CMCs könnten viele Probleme im großen Maßstab für die Air Force lösen, und wenn Phase3D ihnen hilft, ihre Forschung zu beschleunigen, wird das Unternehmen gut für Wachstum und langfristige Präsenz in diesem Segment aufgestellt sein.