Je leichter die Konstruktion des Flugzeuges, hier ein Airbus 321, ist, desto mehr lässt sich entweder an Treibstoff einsparen oder die Ladekapazität und damit die Auslastung erhöhen . (Bild: Airbus)
Die Luft- und Raumfahrtbranche ist führend bei der Einbindung der additiven Fertigung in alle Prozesse – angefangen vom Konzeptentwurf bis hin zu Überholungen kurz vor Ende der Lebensdauer. Nach den eingesetzten Faserverbundwerkstoffen verhilft der 3D-Druck dem Leichtbau in der Luftfahrt zu neuen Konzepten.
Ein Bauteil soll immer so leicht wie möglich sein, andererseits aber stabil genug, um alle Sicherheitsfaktoren einzuhalten. Es geht dabei um mehr als nur die Verwendung leichterer Materialien. Auch die Konstruktion selbst lässt sich durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren ganz anders, nämlich funktionsoptimiert gestalten. Die additive Fertigung oder verkürzt 3D-Druck hat enormes Potenzial und wird in nicht allzuferner Zukunft nicht nur die Produktionsverfahren, sondern auch Teile des Wirtschaftssystems verändern. Werkstücke lassen sich durch 3D-Druck in beinahe beliebiger Geometrie, also auch in bionischen Strukturen in einem Stück herstellen.
Es werden keine Werkzeuge benötigt, eine Nachbearbeitung entfällt, der Druck kann an jedem Ort stattfinden, sodass die Produktion direkt „on demand“ erfolgt und kostspielige Lagerhaltung nicht mehr nötig ist. Kleinstserien lassen sich profitabel generieren und Ersatzteilbeschaffung auch nach Auslaufen der Produktionsserie oder Reparatur eines verschlissenen Bauteiles ist ohne größeren Zeitaufwand problemlos möglich.
Leichtbau durch Materialauswahl und additive Fertigungstechnik
Diese Halterung ist das erste 3D-gedruckte Titan-Bauteil, das an Bord des Airbus A350 XWB eingesetzt wurde. Diese sogenannten Brackets wurden als Finalist mit dem „Innovationspreis der deutschen Wirtschaft 2014“ ausgezeichnet. Nach Einschätzung der Jury revolutioniert diese industrieübergreifende Entwicklung die Art, Flugzeugstrukturelemente zu fertigen und den Leichtbau bei Zivilflugzeugen zu realisieren. Bislang wurde das Bauteil aus Aluminium gefräst (Bild: Airbus Emerging Technologies & Concept)
Der Ansatz „Leichtbau“ soll den Airlines helfen, ihre Flugzeuge ökonomischer zu betreiben. Der Korpus des Langstreckenjet Airbus A350 XWB besteht, ebenso wie Leitwerk und Tragflächen, komplett aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK), das 15 bis 25 Prozent Gewicht einspart. Aber die Bestrebungen den Leichtbau zu verwirklichen gehen über die Materialwahl bei der Grundkonstruktion hinaus. Eine neue Flugzeugkonstruktion erfordert tausende von sogenannten FTI (Flight Test Installations)-Brackets mit Kleinststückzahlen.
Diese Bauteile sind, wenn sie gedruckt werden, faktisch um mehr als 30 Prozent leichter als konventionelle Gieß- oder Frästeile. Hinzu kommt, dass die CAD-Daten unmittelbar Grundlage eines additiven Baujobs sind. Diese gehen vom Computer des Konstrukteurs direkt zur Fertigung. Werkzeuge und deren Vorlaufkosten oder Zwischenschritte entfallen, und so reduzieren sich Kosten- und Zeitaufwand um bis zu 75 Prozent. Peter Sander, der Leiter von Emerging Technologies & Concepts, Airbus, veranschlagte für eine Bauteilentwicklung früher etwa sechs Monate, heute ist daraus ein Monat geworden.
Leichtbau verwirklicht sich in hohem Maße auch durch die Konstruktion. So können auch Hinterschnitte und innen liegende Kanäle, zum Beispiel Kühlkanäle, gefertigt werden. In der Luftfahrt hat das „Abschauen von der Natur“ Tradition: So ist das älteste bekannte Beispiel für Bionik die Idee von Leonardo da Vinci, den Vogelflug auf Flugmaschinen zu übertragen, so wie Otto Lilienthal und die Gebrüder Wright den Flug großer Vögel beobachteten und mit diesen Erkenntnissen ihre jeweiligen Fluggeräte optimierten.
Auch die heute weit verbreiteten nach oben gezogenen Enden der Tragflächen, wie beispielsweise bei der Passagiermaschine A350 XWB oder der A320neo, sind den Vogelschwingen entlehnt. Der Einsatz dieser Winglets verringert die Luftwirbel an den Flügelspitzen und reduziert den Treibstoffverbrauch um fünf Prozent. Solche Lösungen der Natur werden bei Airbus derzeit hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit auf Bauteile strukturiert analysiert. Mittels intelligenter Belichtungsstrategien des Lasers kann dieser ein Bauteil gezielt beaufschlagen, sodass es in Struktur, Festigkeit und Oberflächengüte maßgeschneidert werden kann.
Erstes 3D-gedrucktes Titan-Bauteil
Gedruckte Bauteile bewähren sich im Flugzeugbau: Hier eine Kraftstoffeinspritzdüse (Bild: Morris, EOS).
Das Unternehmen Premium Aerotec startete im Juli 2014 mit der generativen Fertigung von metallischen Flugzeugbauteilen und will mit diesem Verfahren ab 2016 erste Serienbauteile fertigen. Auch im Juli 2014 hat Airbus eine bionisch geformte und im 3D-Druck-Verfahren hergestellte Halterung in ein A350-Testflugzeug eingebaut und ist damit auch bereits geflogen. Das aus Titanpulver gedruckte Bauteil erfüllt die gleichen Vorgaben hinsichtlich Funktion und Festigkeit wie ein konventionell hergestellter Halter, bietet darüber hinaus noch weitere Vorteile: Das bionisch geformte Bauteil ist im konkreten Fall 30 Prozent leichter.
Durch das Aufbauen des Bauteils aus Pulver entfällt der größte Teil des bislang üblichen Abtragens von Material. Das wiederum senkt den Material- und Logistikaufwand. Im Flugzeug wirkt sich das geringere Gewicht von Bauteilen positiv auf den Treibstoffverbrauch aus. Und schließlich ist es durch die deutlich kürzere Reaktionszeit dieser Fertigungstechnologie (zum Beispiel reduziert sich die NC-Programmierung im Wesentlichen auf die Nachbearbeitung) möglich, auch sehr kurzfristige Bedarfe zu erfüllen.
Perspektivisch ist vorstellbar, dass die ALM-Technologie (Additive Layer Manufacturing) auch im Wartungsbereich Einzug hält: Beispielsweise könnten Flugzeugwerften dann dringend benötigte Ersatzteile ohne große Fertigungsanlagen direkt an Ort und Stelle nach Originalplänen drucken. Im Falle eines Bauteilversagens kann das Ersatzteil direkt vor Ort gefertigt werden. Dezentrale Fertigungsnetzwerke können entstehen – globale und regionale Strategien sind möglich. So können Transportwege und vor allem die Lieferzeiten minimiert werden.
Als Folge reduzieren sich die wartungsbedingten Stand- und Revisionszeiten der Flugzeuge. Große Ersatzteillager mit selten gebrauchten Teilen, wie sie angesichts der langen Lebenszyklen von Flugzeugmodellen heute unabdingbar sind, könnten zukünftig deutlich verkleinert werden. Eine reduzierte Kapitalbindung erhöht die Flexibilität und vor allem die zeitliche Verfügbarkeit sicherheitsrelevanter Bauteile. Angesichts des Kostendrucks der Luftfahrtbranche liegt hier ein besonderer Charme.
Technik im Detail
ALM kontra Zerspanung
Die ALM-Technologie (Additive Layer Manufacturing) hat großes Potenzial, denn sie unterscheidet sich wesentlich von der herkömmlichen Zerspanung: Erstens kehrt sie das Produktionsprinzip vollständig um – anstatt von einem Rohling so lange Material zu entfernen, bis das gewünschte Bauteil übrig bleibt, entsteht dieses durch das Verschmelzen von Pulver. Zweitens ermöglicht sie die industrielle Herstellung bionischer Strukturen. Zukünftig werden sich in der Luftfahrtindustrie additive (wie ALM-Technologie) und subtraktive (wie die herkömmliche Zerspanung) Verfahren ergänzen.
Beide haben ihre Vorteile: So eignet sich die Zerspanung etwa für die Herstellung großer Stückzahlen von einfach geformten Bauteilen jeder Größe. Das 3D-Drucken wiederum erlaubt die wirtschaftliche Herstellung von komplexer geformten Bauteilen, etwa mehrfach gekrümmte und auf herkömmlichem Weg nicht in einem Stück herstellbare Hydraulikkomponenten – und das selbst bei geringen Stückzahlen.
Grenzen der additiven Technik
Gegenwärtige Grenzen der Technik sind durch die Kompromisse bei der Oberflächengüte gegeben, die allerdings vergleichbar mit denen von Gussbauteilen sind. Diese Phänomene bringen etwa bei Titan eine erhebliche Reduktion der Dauerfestigkeit mit sich. Gerade diese Kenngröße ist für hochbelastete Strukturbauteile im Flugzeugbau, die oft Lebenszyklen von 30 Jahren haben, essenziell. Durch nachgelagerte Oberflächenbehandlungen, wie zum Beispiel das Mikrostrahlen, sowie eine korrekte Wärmebehandlung kann die Dauerfestigkeit aber signifikant gesteigert werden. So werden im Ergebnis die Werte eines gewalzten Materials erreicht.
Eine weitere Anforderung an das Verfahren ist das Arbeiten im geschlossenen System, um einen staub- und kontaminationsfreien Prozess zu gewährleisten. Beim Ausdrucken von Bauteilen mit 3D-Druckern werden sonst Milliarden von Ultrafeinstaub-Partikeln pro Minute ausgestoßen. Alle Störeinflüsse, die sich auch auf den Prozess negativ auswirken könnten, sollen so ausgeschaltet werden. Spezielle Software soll es ermöglichen, wichtige Daten wie Laserparameter, Schmelzepool-Verhalten sowie die Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre zu überwachen und zu dokumentieren.
Neben der Einsparung von Treibstoff und Energien durch verkürzte Fertigungsprozesse ist es auch ein schöner Effekt, dass beim Laserschmelzen der Anwender ein so genanntes endkonturnahes Bauteil erhält, dessen Abfall nur bei fünf Prozent liegt, während die Erstellung eines Werkstückes durch spanende Bearbeitung einen Abfall von bis zu 95 Prozent erzeugte. Das macht das Verfahren speziell bei hochwertigen und teuren Flugzeugmaterialien, wie Titan, überaus interessant.
3D-Druck in der Experimentierphase
Je leichter die Konstruktion des Flugzeuges, hier ein Airbus 321, ist, desto mehr lässt sich entweder an Treibstoff einsparen oder die Ladekapazität und damit die Auslastung erhöhen (Bild: Airbus).
Leichtbau und 3D-Druck – in Zukunft werden gerade in der Luft- und Raumfahrt immer mehr Produzenten auf dieses Verfahren umsteigen. Marktforschungsinstitute wie etwa Gartner gehen davon aus, dass der 3D-Druck in wenigen Jahren die Planungs- und Herstellungsprozesse sowie die Entwicklung von Prototypen in einer Vielzahl von Branchen nachhaltig verändern wird. Auch wenn sich die Umsätze im Vergleich zur klassischen Industrie im Augenblick höchstens im knapp einstelligen Prozentbereich bewegen.
Auf der 21. EuroMold 2014, der Weltmesse für Werkzeug- und Formenbau, Design und Produktentwicklung, demonstrierte eine Vielzahl von Herstellern aus dem Bereich der 3D-Drucktechnologie, dass sich dieses Herstellungsverfahren immer mehr als zentraler Bestandteil der allgemeinen industriellen Prozesskette etabliert und sich im Hinblick auf Kosten, Anwendungsbereiche, Materialien und Produktivität kontinuierlich weiterentwickelt.
Unternehmen sollten daher schon jetzt anfangen, mit der 3D-Druck-Technologie zu experimentieren. Sie könnten so die traditionelle Produktplanung sowie die Entwicklung von Prototypen verbessern und dadurch potenziell neue Produktreihen und Märkte erschaffen. fa
Autorin: Ragna Sonderleittner, freie Autorin für ke NEXT
Weiterführende Links:
Produktion von Elektroautos mit Stratasys 3D-Druck revolutioniert