Additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt: Leistungs- und Effizienzsteigerung durch 3D-Druck

Seit den Anfängen der additiven Fertigung haben Anbieter von 3D-Druck-Hardware und -Materialien die Luft- und Raumfahrtindustrie als wichtigen Zielmarkt identifiziert. Flugzeuge sind hochkomplexe Systeme mit einer Vielzahl von Bauteilen, die von modernsten Entwicklungen in Produktionswerkzeugen und Materialien profitieren – insbesondere solchen, die das Gewicht reduzieren oder die Festigkeit von Komponenten erhöhen können. Einige 3D-Druckverfahren versprechen beides.

Dennoch hat die Luft- und Raumfahrt additive Fertigung nicht schneller eingeführt als andere Branchen. Tatsächlich müssen Flugzeuge und ihre zahllosen Komponenten – aus offensichtlichen Gründen – die strengsten Zertifizierungs- und Testverfahren durchlaufen. Daher kann es Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern, bis ein 3D-gedrucktes Luftfahrtbauteil vom Konzept zur Implementierung gelangt. Die Technologie ist vorhanden, aber das Wissen, das aus jahrelangen Tests und Beobachtungen resultiert, fehlt. Deshalb ist die Implementierung additiver Fertigung in risikoarmen Branchen, wo weniger Menschenleben auf dem Spiel stehen, deutlich einfacher.

Doch während die Einführung 3D-gedruckter Luftfahrtprodukte langsam voranschreitet, haben die Teile, die die Qualifizierung bestanden haben, bereits große Auswirkungen auf die Branche. Von einfachen Dingen wie 3D-gedruckten Innenkabinenwänden bis hin zu absolut kritischen Bauteilen wie additiv gefertigten Metalltriebwerkskomponenten – AM beginnt zweifellos, in einer der lukrativsten und schnelllebigsten Industrien der Welt Fuß zu fassen.

Dieser Artikel skizziert einige der Möglichkeiten, wie AM in der Luft- und Raumfahrt bereits eingesetzt wird und künftig eingesetzt werden wird.

Leichtbau & Festigkeitsoptimierung

Additive und subtraktive Fertigung unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht, und die Wahl zwischen 3D-Druck und traditionellen Alternativen stellt oft ein Dilemma dar. Ein entscheidender Unterschied liegt jedoch in der jeweiligen Fähigkeit, die innere Geometrie eines Bauteils zu gestalten.

3D-Druck ist in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt äußerst nützlich, da er Ingenieuren ermöglicht, Komponenten mit teilweise hohlen Innenräumen zu fertigen, die komplexe geometrische Muster nutzen, um die innere Festigkeit zu maximieren, ohne Gewicht hinzuzufügen. Da 3D-Drucker Teile „von unten nach oben“ aufbauen, können sie gitterartige Strukturen in Teilen wie Metalltriebwerkskomponenten oder Kunststoffkabinentrennwänden erzeugen. Dies wäre mit traditionellen Verfahren wie dem Spritzgießen (da das flüssige Material den gesamten Hohlraum füllt) oder der Zerspanung (da das Schneidwerkzeug das Innere nicht erreichen kann, ohne die Außenseite zu durchdringen) unmöglich.

Die Bedeutung dieser Gitterstrukturen lässt sich kaum überschätzen. Beim Flugzeugbau ist jedes Gramm Gewicht ein Hindernis für maximale Effizienz, doch 3D-Druck ermöglicht es, die Masse eines Bauteils durch einen teilweise hohlen, gitterstrukturierten Innenraum erheblich zu reduzieren. Die verwobenen, sehnigen Fäden des Gitters können mathematisch optimiert angeordnet werden, um Festigkeit zu maximieren und Spannungen zu reduzieren, sodass das leichte Teil genauso fest ist – wenn nicht sogar fester – als eine vollmassive Alternative. Noch wichtiger: Der Raum zwischen diesen Fäden ist gewichtslos, was die Gesamtmasse des Teils verringert.

Es gibt viele Beispiele für Luft- und Raumfahrtunternehmen, die 3D-Druck für Leichtbauteile nutzen. 2011 kündigten Forscher von Boeing-eigenen HRL Laboratories die Entwicklung eines Metalls an, das sie für das „leichteste Material der Welt“ hielten. Mit einer Dichte von nur 0,9 mg/cc war es etwa 100-mal leichter als Styropor. „Der Trick besteht darin, ein Gitter aus miteinander verbundenen hohlen Röhrchen mit einer Wanddicke von 100 Nanometern herzustellen – 1.000-mal dünner als ein menschliches Haar“, erklärte Tobias Schaedler, einer der Forscher.

Während Forscher die Möglichkeiten leichter 3D-gedruckter Gitterstrukturen weiter erforschen, werden Luft- und Raumfahrtunternehmen immer stärker in die additive Fertigung für Leichtbau und Festigkeitsoptimierung einsteigen.

Prototypen & Ersatzteile

Einer der größten Vorteile der additiven Fertigung – in jeder Branche – ist die Fähigkeit, Teile bedarfsgerecht und im eigenen Haus herzustellen. 3D-Drucker können fast überall aufgestellt werden und arbeiten weitgehend autonom, was bedeutet, dass die Lieferzeiten für 3D-gedruckte Teile sehr kurz sind. Dadurch können Luft- und Raumfahrtunternehmen schnell neue Iterationen eines Teils für sofortige Tests fertigen, was den F&E-Prozess verkürzt und Teile schneller zur Fertigstellung bringt.

Schnelleres Prototyping ist daher eine der Hauptanwendungen der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt, und die Ergebnisse sind bewiesen: Laut dem AM-Riesen Stratasys kann der Einsatz von hausinternem 3D-Druck für Luftfahrtprototypen zu Zeitersparnissen von rund 43 % im Vergleich zu Spritzgießen und CNC-Werkzeugbau und rund 75 % im Vergleich zu 2D-Laserschneiden führen.

Ein weiterer Bereich, in dem die Luft- und Raumfahrt von additiver Fertigung profitiert, ist die Lagerhaltung. Ein durchschnittliches Verkehrsflugzeug besteht aus rund 4 Millionen Komponenten, nicht alle vom selben Hersteller. Das bedeutet, dass Flugzeugzulieferer ein riesiges Lager an Ersatzteilen vorhalten müssen, falls ein Flugzeug repariert werden muss. Der Kauf dieser Ersatzteile verursacht hohe Kosten, ebenso wie die Bereitstellung der Lagerflächen.

3D-Drucker bieten hier eine äußerst hilfreiche Lösung. Indem sie einen 3D-Drucker vor Ort bereithalten, können Luft- und Raumfahrtunternehmen – statt riesige Lagerhallen mit Millionen teurer Ersatzteile zu füllen – einfach eine digitale Bibliothek von Ersatzteilen in einem druckbaren Format wie STL führen. So können sie die Teile nur bei Bedarf 3D-drucken. Diese Taktik der digitalen Ersatzteillager wird branchenübergreifend schrittweise übernommen und wird Jahrzehnte brauchen, um im großen Maßstab implementiert zu werden, doch die Luft- und Raumfahrt könnte einer der größten Nutznießer sein.

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