Wie 3D-Druck die Luft- und Raumfahrt-Innovation und -Effizienz vorantreibt

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist eine äußerst anspruchsvolle Umgebung. Sie benötigt makellose Bauteile, die kontinuierlicher Abnutzung sowie hohen Druck- und Temperaturbedingungen standhalten. Es findet ständige Innovation und Forschung statt, um sicherzustellen, dass Komponenten stark, widerstandsfähig und zugleich leicht sind, um die Flugzeugleistung zu steigern, Wartungsarbeiten zu erleichtern und die Produktivität der Mitarbeiter zu erhöhen. Diese unverzichtbare Qualität und Zuverlässigkeit muss mit den Zeitplänen und Buchungen kommerzieller Flüge sowie der Dringlichkeit und der erforderlichen 24/7-Bereitschaft militärischer Flugzeuge in Einklang gebracht werden. Wenn etwas in der Produktions- und Logistikkette schiefgeht, können die Verfügbarkeit, Qualität und sogar die Sicherheit von kommerziellen wie militärischen Flügen gefährdet werden.

Die Entwicklung der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt

Hier betritt die additive Fertigung die Bühne. In den Anfangsphasen der 3D-Druck-Entwicklung war es eine äußerst innovative, aber ziemlich begrenzte Fertigungsmethode. Die 3D-Drucker waren eine kostspielige Investition, sie waren langsam und zu klein für großindustrielle Anwendungen. Zudem war der Materialmarkt sehr begrenzt, insbesondere für technische Werkstoffe, und 3D-Druckerhersteller ließen oft nur ihre eigenen Materialien zu (Vendor Lock-in). Diese Zeiten im 3D-Druck sind längst vorbei.

Heute ist die additive Fertigung eine voll ausgereifte Branche mit herausragender Designflexibilität und Material-Drucker-Kompatibilität, spezialisierter Software für präzises Design und Reverse Engineering, einer großen Auswahl hochentwickelter Materialien für spezialisierteste Anwendungen, großformatigen 3D-Druckern mit großen Bauraum und der Fähigkeit, leichte Bauteile herzustellen, die ihren CNC-Pendants in nichts nachstehen.

Video 1. Airbus setzt AM-Lösungen in der Fertigungslinie ein. Quelle: Airbus.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie strebt nach leichten Bauteilen, die genauso gut performen wie traditionell gefertigte Aluminiumkomponenten. Gewichtsreduktion (Lightweighting) ermöglicht Flugzeugen, schneller, weiter und mit weniger Treibstoffverbrauch zu fliegen. Jede 500 kg Gewichtsreduktion bedeuten etwa 1 % weniger Treibstoffverbrauch, was auch den CO₂-Ausstoß senkt.

Die Beiträge der AM in der Luft- und Raumfahrt

Jede Innovationsidee in der Luft- und Raumfahrt muss einen äußerst sorgfältigen Bewertungsprozess durchlaufen, um zu prüfen, ob das neue Material oder die Technologie den zahlreichen und strengen FAA-Vorschriften für Flug- und Flugzeugsicherheit genügt – egal ob kommerzielles oder militärisches Flugzeug. Viele veraltete Flugzeuge haben Komponenten aus Materialien, die sich später als giftig erwiesen und ersetzt werden müssen, oder Materialien, die nicht mehr hergestellt werden und neu geschaffen werden müssen.

Additive Fertigung-Unternehmen bieten eine breite Palette an Filamenten an, die von der FAA zertifiziert sind aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit, chemischen und thermischen Beständigkeit ohne schädliche Nebenwirkungen. Beispiele dafür sind Filamente aus der PAEK-Familie, wie das Essentium PEI 9085 ULTEM-Filament, Essentium PEEK oder Essentium PEKK. Diese Filamente können für In-Flight-Anwendungen verwendet werden. Das ULTEM PEI-Filament wurde für Beleuchtungssysteme, elektrische Schalter, Gehäuse und Glühlampenfassungen im 3D-Druck eingesetzt.

Bild 1. Ein Umgebungssteuerungsleitung in einem Trägerraketenfahrzeug. Gedruckt mit Essentium ULTEM 9085 Filament. Quelle: Essentium.

PEEK-Filament wurde in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, um Aluminium-Motorteile, Lager, Ventile sowie Lichtleitungen zum Isolieren und Schützen von Glasfaserkabeln und elektrischen Systemen im Flugzeuginneren zu ersetzen.

Flexible und sofortige Inhouse-Wartung

Die Rolle des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrt hat die Phase des reinen Prototypenbaus überschritten, obwohl AM weiterhin dafür genutzt wird. Angesichts des Umfangs und der Kosten der Fertigung in dieser Branche sind herkömmliche Prototyping-Wege wie Spritzguss und CNC-Bearbeitung zeit- und ressourcenintensiv. Der 3D-Druck eines Prototyps eines Flugzeugs oder seiner Teile reduziert die Kosten der Prototypenherstellung und -anpassung, den Materialverschnitt und Verzögerungen erheblich und ermöglicht die Produktion weitaus komplexerer Strukturen als CNC.

Bild 2. Ein 3D-gedruckter Prototyp eines Flugzeugs. Quelle: Essentium.

Abgesehen von der Fertigung von Komponenten für Satelliten (Antennen für Raumfahrzeuge), Drohnen und unbemannte Flugzeuge (Rotorblätter und Motorteile) sind die häufigsten AM-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt die Herstellung von Bodenbauteilen und nicht-kritischen, nicht lasttragenden In-Flight-Komponenten.

Da Flugzeuge eine teure Investition sind, dienen alte Flugzeuge oft weit länger als vorgesehen. Additive Fertigung ist die ideale Technologie für kleine Wartungsaufgaben. Dazu gehört der 3D-Druck fehlender oder beschädigter nicht-essenzieller Komponenten für das Flugzeuginterieur, wie Getränkehalter, Tabletts, Toilettendeckel, Luftkanäle, Instrumententafeln usw. Dank AM lässt sich ein Bauteil auch ohne vorliegende Pläne durch Reverse Engineering nachbilden – indem man das Teil scannt, in Design-Software verarbeitet und dann 3D-druckt.

Bild 3. Im 3D-Druck gefertigte Turbinen. Quelle: Essentium.

Dasselbe gilt für alle Arten von Werkzeugen, Vorrichtungen und Spannmitteln. In diesem Bereich ist Innovation mit 3D-Druck leichter umsetzbar, da Bodenequipment nicht einer so strengen Prüfung durch die FAA unterliegt wie flugtaugliche Teile. Selbst wenn das Originalwerkzeug nicht mehr gefertigt wird, kann es aus Plänen oder durch Anpassung des Designs an die Schraube oder das Element, das es aufnehmen soll, 3D-gedruckt werden. Mit traditioneller subtraktiver Fertigung wäre dieser Prozess weitaus zeit- und materialaufwändiger. Um Werkzeuge, Vorrichtungen und Spannmittel leicht, aber effizient zu gestalten, können Materialien verstärkt mit Kohlefasern, Glasfasern oder Metall verwendet werden. Das ergibt Bauteile, die bis zu 50 % leichter als Aluminium sind, aber hervorragende Festigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweisen. Geeignete Filamente dafür sind z. B. Essentium HTN CF25, PA CF oder ABS MG94. Neben Festigkeit, Beständigkeit und Leichtigkeit sollten Filamente für die Luft- und Raumfahrt auch flammenhemmend und ESD-sicher sein. Fertigungs- und Wartungsbereiche sind Umgebungen mit erhöhten Temperaturen, potenziell explosiven Materialien und statischer Aufladung – eine gefährliche Kombination für Ausrüstung und Mitarbeiter. Das Essentium TPU 90A FR-Filament besitzt flammenhemmende Eigenschaften, was das Risiko von Brand und Ausbreitung erheblich minimiert. Es eignet sich daher ideal für Werkzeuge, Vorrichtungen und Spannmittel im Hangar oder am Flugzeug.

Bild 4. Ein Sicherheitsteil aus Essentium TPU 58D-AS. Quelle: Essentium.

Das Essentium TPU 58D-AS hingegen ist ein speziell für die Luft- und Raumfahrt entwickeltes Filament für die Herstellung von Teilen, die vor dem Flug entfernt werden müssen (daher die rote Farbe als Warnsignal). Das TPU 58D-AS reduziert das Risiko elektrostatischer Entladung, die eine Gefahr für Menschen und elektronische Bauteile darstellt – letztere sind für die einwandfreie Funktion von Navigationssystemen u. a. essenziell.

Essentium 9085 ULTEM Essentium PEEK Essentium TPU 90A-FR flammenhemmend Essentium TPU 58D-AS

Logistische Hürden überwinden

Flugzeuge in einem sicheren, flugbereiten und einsatzbereiten Zustand zu halten ist in der kommerziellen wie militärischen Luftfahrt von höchster Priorität – sogar wichtiger als ständige Innovation. Additive Fertigung findet so viele Anwendungen in diesen Branchen, weil sie Fluggesellschaften, Kurierunternehmen und Armeen mehr Unabhängigkeit und Flexibilität bei der Wartung ihrer Flugzeuge ermöglicht.

Die COVID-19-Pandemie hat die Welt in vielerlei Hinsicht verändert. Die Luft- und Raumfahrt war keine Ausnahme, da Lieferketten plötzlich für unvorhersehbare Zeiträume stillstanden. Das stoppte Produktion, Wartung und Auslieferung aufgrund der Abhängigkeit von Auftragnehmern und Lieferanten – eine Folge des traditionellen Fertigungsmodells. Viele Fluggesellschaften erlitten erhebliche finanzielle Verluste durch Flugausfälle und mussten nach Wegen suchen, Kosten zu senken. Additive Fertigung kann die Antwort darauf sein.

Bei traditioneller Fertigung wie CNC würde die Produktion einer ESD-sicheren Komponente, einer korrosionsbeständigen Komponente und einer hochtemperaturbeständigen Komponente höchstwahrscheinlich die teuren Dienste von drei verschiedenen Auftragnehmern erfordern, mit unterschiedlichen und langen Wartezeiten (auch abhängig vom Lieferanten des Auftragnehmers) und einer komplizierten oder unmöglichen Lieferung bei im Ausland stationierten Militärflugzeugen.

Bild 5. Ein Beispiel für iterative Fertigung. Quelle: Essentium.

Ein weiteres Problem: Einzelwerkzeuge oder Kleinserien-Ersatzteile sind in der Luft- und Raumfahrt allgegenwärtig. Auf Spritzguss oder CNC-Bearbeitung für ein einmalig benötigtes Werkzeug zurückzugreifen, würde unnötige Kosten und unnötig lange Wartezeiten bedeuten. All das lässt sich mit 3D-Druck lösen, da ein einziger 3D-Drucker vor Ort all diese Teile mit verschiedenen fortschrittlichen technischen Filamenten zu deutlich geringeren Kosten und geringerem Verzögerungsrisiko produzieren kann. Diese Fertigungsart macht die Lagerung von Ersatzteilen weltweit überflüssig, da jedes benötigte Teil jederzeit und überall auf Abruf 3D-gedruckt werden kann. All diese kleinen Verbesserungen führen zu einer generellen Vereinfachung und Verkürzung der Liefer- und Produktionskette in der Luft- und Raumfahrt, was Kosten senkt und den CO₂-Fußabdruck von Flugzeugen ausgleicht.

Praxisbeispiele

Ein hervorragendes Beispiel für den Einsatz von AM-Technologien in der realen Luft- und Raumfahrt ist das Unternehmen Axle Box. Sie entwickelten eine Drohnenplattform für SkyFire für dessen Forst- und Brandschutzkunden. Diese Bauteile mussten den Bedingungen großangelegter luftgestützter Löscheinsätze standhalten – Feuer, Wasser und Wind. Die Teile wurden zu den geringsten Kosten und mit den schnellsten Lieferzeiten im Vergleich zur Konkurrenz produziert. Ein Drohnen-Mittelteil wurde mit Essentium HTN CF25-Filament gedruckt, die Seitenabdeckungen mit PA CF-Filament. Beide Materialien zeigten in Flugtests über den Erwartungen liegende Leistungen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und hoher Geschwindigkeit.

Video 2. Ein 3D-gedrucktes Teil für eine Drohnen-Landeplattform von Axle Box. Quelle: Essentium.

Ein sehr häufiger Defekt in Flugzeugen ist hydraulisches Versagen, meist aufgrund des Flugzeuggewichts und der Belastungen während des Flugs. Die Reparatur eines hydraulischen Defekts war früher sehr zeit- und personalintensiv, da mehrere Techniker nötig waren, um die Fehlerquelle zu erreichen und das Ersatzteil während der Montage in Position zu halten. Da diese hydraulischen Ausfälle so häufig und so kostspielig waren, entschied sich ein großer Luft- und Raumfahrthersteller, eine Halterung zu 3D-drucken, die das Ersatzteil fixiert – ohne dass zusätzliches Personal assistieren muss.

Die Einführung der additiven Fertigung in die Luft- und Raumfahrt war eine bahnbrechende Entwicklung für sowohl AM als auch die Luft- und Raumfahrtindustrie. Sie stellte eine spannende und transformative Herausforderung für die 3D-Druck-Welt dar aufgrund der Vielzahl spezialisierter Materialien mit fortschrittlichen Eigenschaften, die in der Luft- und Raumfahrt gefordert sind. Und für die Luft- und Raumfahrtindustrie war es ein großer Schritt hin zu größerer Designflexibilität, Kostensenkung und logistischer Unabhängigkeit, dank der beeindruckenden Geschwindigkeit, Skalierbarkeit und Iterationsmöglichkeiten, die der 3D-Druck bietet.