Additive Fertigung von Verbundwerkstoffen: Fortschritte in Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Einblicke eines Air-Force-Ingenieurs in die Nutzung additiver Fertigung beim DoD und die wachsende Bedeutung von 3D-Druck in der Industrie

Jordan Weininger ist Advanced-Composites-Ingenieur im Advanced Composites Office der United States Air Force auf der Hill Air Force Base. Die geäußerten Ansichten sind seine eigenen und stellen keine offizielle Richtlinie der U.S. Air Force dar.

Zukünftige Fertigungstechnologien sind bereits einsatzbereit; die eigentliche Herausforderung liegt in ihrer Integration in die Branchen, die am meisten davon profitieren. Neben der Entwicklung der Technologie ist es entscheidend, reproduzierbare Prozesse zu etablieren und minimale zulässige mechanische Eigenschaften (B-Basis-Zulassungen) zu definieren, die einen praktischen, realen Einsatz ermöglichen.

Meine Arbeit im Advanced-Composites-Team auf der Hill Air Force Base hat mir aus erster Hand gezeigt, wie additive Fertigung die Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigung neu gestaltet – und welche weiteren Auswirkungen dies auf den kommerziellen 3D-Druck hat.

Verbundwerkstoff-Engineering in der U.S. Air Force

Verbundwerkstoff-Engineering gewinnt branchenübergreifend an Bedeutung. Mein Karriereweg führte mich zur Air Force, genauer zum Advanced Composites Office, das alle DoD-Organisationen unterstützt. Neben Design, Analyse und Reparatur bieten wir wöchentliche Kurse an, die DoD-Personal in die Grundlagen von Verbundwerkstoffen und fortgeschrittene Techniker-Schulungen einführen – mit praktischer Erfahrung in Design und Reparatur.

Industrielle Expansion des 3D-Drucks

In verschiedensten Sektoren ist additive Fertigung zum Eckpfeiler des Prototypenbaus geworden – besonders für kleine und mittlere Hersteller. Die Möglichkeit, funktionale Prototypen vor der Serienproduktion herzustellen, ist ein entscheidender Vorteil.

Heutige Materialbibliotheken – von Metallen und Verbundwerkstoffen bis hin zu Hochleistungsthermoplasten – ermöglichen Ingenieuren Passungs- und Funktionstests sowie die frühzeitige Digitalisierung von Konzepten. Die Technologie strafft Designprozesse, verkürzt Lieferzeiten und senkt Kosten für Kleinserienteile, wodurch 3D-Druck oft wirtschaftlicher ist als traditionelles Spritzgießen oder CNC-Bearbeitung.

Wir erwarten Wachstum bei additivem Werkzeugbau – Halterungen, Scharniere, Montagen und Werkstatthilfsmittel – und prognostizieren eine Ausweitung auf funktionale Endbauteile. Unternehmen wie Markforged drucken mittlerweile Verbundwerkstoffe und Metalle, die die für viele Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsanwendungen erforderliche Festigkeit bieten.

Warum die Air Force auf additive Fertigung setzt

Direkte Anwendungen des 3D-Drucks in der Air Force und der breiteren Verteidigungsgemeinschaft erweitern sich in zwei Schlüsselbereichen:

1. Kleinserienfertigung. Flugzeugprogramme benötigen oft limitierte Bauteile, von denen viele vor Ort mit der richtigen additiven Technologie produziert werden können.

2. Verteilte Fertigung. Durch das Aufstellen kostengünstiger Drucker auf mehreren Basen kann die Air Force kritische Komponenten lokal fertigen, wodurch der weltweite Versand von Teilen entfällt und Ausfallzeiten reduziert werden.

Diese Fähigkeiten treiben einen breiteren Wandel hin zur additiven Fertigung in militärischen und luft- und raumfahrtbezogenen Operationen voran.

Additiver Werkzeugbau für Reparaturen an alternden Flugzeugen – MRO

Der Advanced Composites Office konzentriert sich auf Verbundwerkstoff-Design, -Analyse, -Engineering und -Reparatur innerhalb des Life Cycle Management Center, das die Instandhaltung alternder Flugzeuge adressiert. Wenn Originalwerkzeuge verloren gehen oder nicht verfügbar sind, ermöglicht additive Fertigung die Erstellung neuer Werkzeuge und sichert so die weiterhinige Lufttüchtigkeit.

Unser Ansatz beginnt oft mit einem 3D-Scan eines bestehenden Teils, aus dem wir ein für den 3D-Druck geeignetes CAD-Modell rekonstruieren. Das resultierende Werkzeug kann dann zur Herstellung von Verbundwerkstoffkomponenten für Flugzeuge genutzt werden, die keine Legacy-Werkzeuge mehr besitzen.

Additive Fertigung für Verbundwerkzeugbau

Viele Rüstungsunternehmen setzen weiterhin auf großformatige Fused-Deposition-Modeling (FDM)-Teile für Werkzeuge, die vor dem Einsatz im Verbundwerkstoff-Lageprozess nachbearbeitet werden müssen. Dieser Zwischenschritt mindert einige der Effizienzvorteile der additiven Fertigung.

Durch den direkten Druck von Werkzeugen mit vakuumdichter Oberfläche – ohne CNC-Nachbearbeitung und zusätzliche Oberflächenbehandlungen – lassen sich Zeit, Kosten und Materialverschwendung reduzieren. Die resultierenden Werkzeuge entsprechen präzise den CAD-Spezifikationen, beschleunigen den Verbundwerkstoff-Produktionszyklus und erschließen höherwertige Anwendungen für 3D-Druck in der Verteidigungsfertigung.

Bildnachweise: Hill Air Force Base Foto-Galerie