Revolutionierung der Luft- und Raumfahrt:3D-gedruckte Strukturbauteile

Zweifellos haben Sie in den letzten Jahren viel Hype um 3D-Druck und additive Fertigung gehört, der (in den Medien) die Erwartung geweckt hat, dass es die „traditionelle“ Fabrik bald nicht mehr geben wird. Die Rede von wundersamen neuen Methoden, vom Direktdruck von Kunststoff-, Gummi- und Metallteilen und dem Militär- und Orbitaldruck von Ersatzteilen kündigt einen neuen Aufbruch an.

Vielleicht.

In einem Sektor sind die Auswirkungen jedoch sehr real und unmittelbar, und zumindest ein Teil des Hypes ist nicht völlig fehl am Platz!

Angesichts der rasanten Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie steht die Luft- und Raumfahrtindustrie am Anfang einer revolutionären Reise, insbesondere im Bereich der Strukturkomponenten mit geringerer Präzision und einfacherer Funktion. Der 3D-Druck hat sich zu einer bahnbrechenden Technik für die schnelle Herstellung komplizierter und maßgeschneiderter Teile entwickelt, solange Sie nicht versuchen, kostengünstige Lösungen zu finden.

Mithilfe des 3D-Drucks können außergewöhnlich leichte und langlebige Komponenten hergestellt werden, deren Konstruktion ansonsten schwer herzustellen wäre. Dabei werden Leistung und Kraftstoffeffizienz maximiert und gleichzeitig die sehr strengen Sicherheitsstandards der Branche eingehalten. Um das volle Potenzial dieser bahnbrechenden Technologie zu verstehen, ist es hilfreich, die Kernfakten und führenden Erwartungen des 3D-Drucks zu untersuchen und zu untersuchen, wie sie sich auf die Anforderungen der Luft- und Raumfahrtfertigung übertragen lassen.

In diesem Artikel untersuchen wir die Komplexität des 3D-Drucks und wie er die Zukunft der Strukturbauteilfertigung im Luft- und Raumfahrtsektor verändert. Wir geben Ihnen eine Grundlage, damit Sie Ihr Wissen von einem sicheren (und übertreibungsfreien) Ausgangspunkt aus erweitern können.

Was ist der Zweck des 3D-Drucks von Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt?

Das Hauptziel des 3D-Drucks für Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrt besteht darin, Teile auf eine Art und Weise herzustellen, die sowohl wirtschaftlich rentabel ist als auch die geltenden Sicherheits- und Umweltstandards sowie die Anforderungen an die Flugzeugsicherheit strikt einhält. Die schnelle Herstellung komplexer, leichter Teile und maßgeschneiderter Komponenten, die schnelle Wartungs-/Entwicklungszyklen ermöglichen und die Leistung von Luft- und Raumfahrzeugen aufrechterhalten, trägt zu einem zuverlässigen/sicheren und kostengünstigen Flug bei. Komplizierte Geometrien, die mit herkömmlichen Methoden nur langsam oder gar nicht herstellbar sind, können jetzt mithilfe des 3D-Drucks schnell hergestellt werden. Dank des 3D-Drucks beginnt in der Luft- und Raumfahrtindustrie ein neuer Innovationsprozess.

Welche Strukturbauteile für die Luft- und Raumfahrt können 3D-gedruckt werden?

Zu den Strukturkomponenten der Luft- und Raumfahrt, die sich für die additive Fertigung eignen, gehören:

1. Kraftstoffdüsen.
2. Turbinenschaufeln.
3. Unbemannte Luftfahrzeuge.
4. Satellitenrahmen.
5. Steuerflächenaktuatoren

Wie funktioniert der 3D-Druck von Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt?

Struktur- und Funktionskomponenten für die Luft- und Raumfahrt werden mithilfe von CAD-Daten (Computer-Aided Design) in 3D gedruckt und zu realen Objekten verarbeitet, indem Material Schicht für Schicht aufgetragen und verschmolzen wird, um schnell fertige Teile aufzubauen. Die folgende Liste beschreibt diesen Prozess detaillierter:

1. Ein CAD-entworfenes 3D-Modell dient als Grundlage des Prozesses.
2. Um die Komponente zu erstellen, interpretiert die 3D-Drucker-Build-Setup-Software das Design in eine Reihe von Slices und Bauparameteranweisungen, die vom Drucker gelesen werden können.
3. Der 3D-Drucker platziert Materialien – wie Metalle oder Polymere, in Filament-, Flüssigkeits- oder Pulverform – auf der Bauplattform und verschmilzt sie mit sich selbst und der darunter liegenden Schicht.
4. Schicht für Schicht baut sich die Höhe auf, bis das Bauteil fertig ist.
5. Das Teil wird entnommen, gereinigt und nachbearbeitet. Dies kann manuell oder automatisiert erfolgen und kann das Entfernen der Stützstruktur, das Strahlen mit Medien oder die Nachbearbeitung umfassen.
6. Wenn eine höhere Präzision erforderlich ist (z. B. Lagerflächen oder Lochdurchmesser), ist möglicherweise eine Nachbearbeitung erforderlich.

Neben der schnellen Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien, der Reduzierung von Materialverschwendung und der Herstellung leichter Komponenten mit verbesserter Leistung bietet der 3D-Druck dem Ingenieur mehr Gestaltungsfreiheit als andere Fertigungsmethoden.

Was sind die Vorteile des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrtindustrie?

Die typischen Vorteile des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind:

1. Additive Fertigung ermöglicht die Konsolidierung von Unterbaugruppen zu einzelnen Komponenten, die sonst nicht herstellbar wären. Die Reduzierung der Teileanzahl verringert auch das Risiko von FOD oder Fremdkörperablagerungen.
2. Additive Technologien ermöglichen die Schaffung komplexer Designs, die mit weniger fortschrittlichen Methoden sonst nicht realisierbar wären. Der 3D-Druck muss nicht den Sichtlinienmerkmalen entsprechen, wie dies bei der Bearbeitung erforderlich ist.
3. Die Natur des 3D-Drucks ermöglicht schnelle Designänderungen, ohne dass Änderungen an der Fertigungsausrüstung außer den Modellen im 3D-Slicer erforderlich sind.
4. Diese Prozesse ermöglichen Designern und Herstellern eine schnelle, bedarfsgerechte Produktion überall auf der Welt, wo es Geräte gibt, wodurch die Markteinführungszeit und die Lieferkettenkosten verkürzt und die Komplexität der Infrastruktur vor Ort verringert werden.
5. Durch den strategischen und umsichtigen Einsatz additiver Produktionsprozesse wird die Lieferkette schlanker, zuverlässiger und konsistenter.

Was sind die Nachteile des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrtindustrie?

Zu den Nachteilen des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrtindustrie gehören:

1. Abhängig von der verwendeten Technologie und dem Grad der Präzision, die das Teil in seiner Funktion erfordert, erfordern einige dieser Teile eine zusätzliche Nachbearbeitung. Diese Phase umfasst zusätzliche Aufgaben, die von der Präzisionsbearbeitung über Polieren und Beschichten reichen, um die 3D-gedruckten Komponenten für spezifische Anforderungen zu verfeinern. Die Nachbearbeitung erfordert in der Regel feine und fachmännische Handarbeit und erhöht daher die Produktionszeit und -kosten. Dies kann im Verhältnis zu den Kosten für gedruckte Teile stehen und die unbestrittenen Vorteile einer optimierten Fertigung zunichte machen.
2. Die bemerkenswerte Vielfalt an Komponenten, die aus dem 3D-Druck gewonnen werden können, wird in vielen Fällen durch das Fehlen präzise auswählbarer Materialqualitäten eingeschränkt. Luftfahrtspezifische Vorschriften erfordern spezielle und genau spezifizierte Materialien. Folglich ist der Luft- und Raumfahrttechniksektor durch die Anzahl der Materialoptionen begrenzt, was die Fähigkeit der Technologie einschränkt, in dieser Innovations-/Übergangsphase ein breiteres Spektrum an Flugzeugelementen zu schaffen.
3. Während die 3D-Druck-gesteuerte Produktion die Produktivitätseffizienz erhöht, kann sie die Kosteneffizienz erheblich verringern. Wenn die Komponentenkosten die Plankosten übersteigen, ist dies nicht möglich. Als Methode zur extrem schnellen Herstellung komplexer, nicht kostensensibler Teile nimmt sie jedoch immer mehr an Bedeutung ein.

Was sind Beispiele für Anwendungen von 3D-gedruckten Strukturkomponenten für die Luft- und Raumfahrt?

Es wurden verschiedene Anwendungen von 3D-gedruckten Strukturbauteilen in der Luft- und Raumfahrtindustrie erforscht, wobei die Akzeptanz während des Flugs bisher begrenzt ist. Flügelhalterungen, Antriebskomponenten für Flugzeuge, Drohnenrotorblätter, Treibstoffdüsen, Brennkammern und sogar Teile der inneren Struktur des Triebwerks sind einige Beispiele für nachgezogene und gut angenommene Komponenten. Diese Verwendungen unterstreichen die bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit und das Potenzial dieser Herstellungsmethode in ihrem Potenzial, den Sektor zu beeinflussen. Es ist klar, dass der 3D-Druck mit seinen endlosen Möglichkeiten kurz davor steht, die Fertigungsprozesse der Branche neu zu gestalten.

Welche Materialien werden beim 3D-Druck von Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt verwendet?

Zu den Materialien, die beim 3D-Druck von Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt verwendet werden, gehören:

1. Titanlegierungen

Titan ist ein Hochleistungswerkstoff, der sich ideal für den Luft- und Raumfahrtsektor eignet, wo seine hohen Kosten nicht unerschwinglich sind und sein Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und seine außergewöhnliche Korrosionsleistung überaus vorteilhaft sind. Darüber hinaus sind die Fertigungsverfahren zur Herstellung von Titanteilen eingeschränkt und die Produktionsschwierigkeiten erheblich. Die additive Fertigung umgeht die meisten dieser Fertigungsprobleme und liefert Hochleistungsteile, die deutlich geringere Widerstände in der Lieferkette und logistische Schwierigkeiten mit sich bringen. 

2. Aluminiumlegierungen

Aluminium ist keineswegs eine schlechte zweite Wahl gegenüber Titan, da es nahezu das gleiche Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und deutlich geringere Rohstoff- und (traditionelle) Verarbeitungskosten bietet. Eine wesentlich einfachere Lieferkette für Materialien für die additive Fertigung bedeutet, dass mehr Optionen zur Auswahl stehen und die Bauenergie geringer ist, was den Einsatz von Geräten mit geringerem Stromverbrauch oder schnellere Bauvorgänge ermöglicht. Aluminium bietet im Allgemeinen gute Korrosionseigenschaften für Luft- und Raumfahrtanwendungen und diese können durch Eloxieren erheblich verbessert werden, wodurch ein kontrollierter und präziser Oxidfilm auf Teilen gebildet wird, der Sauerstoff ausschließt, selbst wenn er nass ist.

3. Nickellegierungen

Nickellegierungen bieten extreme Leistung bei hohen Temperaturen sowie eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. 3D-gedruckte Nickellegierungsteile haben im Luft- und Raumfahrtsektor großes Interesse geweckt, insbesondere für den experimentellen Einsatz in Turbinenschaufeln, reale Anwendungen im Flug in Brennkammern und Abgasteilen für Gasturbinen sowie Raketentriebwerkskomponenten im heißen Einsatz. Nickel-Superlegierungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit kritischer Systeme.

4. Edelstahl

Rostfreie Stähle verschiedener Qualitäten werden häufig in der additiven Fertigung in verschiedenen Sektoren außerhalb der Luft- und Raumfahrt eingesetzt und verleihen Werkzeugen, Industrieanlagen und vielem mehr Festigkeit und außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit. 3D-gedruckte Teile aus Edelstahl können robuste, langlebige Struktur- und Funktionskomponenten für hochbeanspruchte Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt bieten. Teile, die den erfolgreichen Betrieb von Luft- und Raumfahrzeugen in Fahrwerken unterstützen, einschließlich der Streben und Stützstrukturen, werden aus dieser Legierungsfamilie hergestellt und müssen den erstaunlichen Belastungsanforderungen bei der Landung standhalten. Die besondere Kombination aus Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Haltbarkeit zeichnet Edelstahl aus und macht ihn zur idealen Wahl für festigkeitskritische (und nicht gewichtskritische) Komponenten in der Branche. Trotz der höheren Festigkeit von Edelstahl weist Aluminium ein deutlich besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf, weist jedoch eine geringere Belastbarkeit bei zyklischer Belastung auf.

5. Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK)

Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) werden in vielen Anwendungen, die ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit erfordern, schnell als gute Materialoptionen eingesetzt. CFK vereint das geringe Gewicht von Polymeren mit der Festigkeit von Metallen. Sie spielen in der Luft- und Raumfahrtindustrie eine immer wichtigere Rolle, indem sie die Treibstoffeffizienz verbessern, Emissionen reduzieren, die Gesamtleistung/Auftriebskapazität von Luft- und Raumfahrzeugen verbessern und die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße verbessern. CFK kann das Gewicht eines Flugzeugs um bis zu 20 % reduzieren. Der 3D-Druck von Sandwichstrukturen mit verschiedenen Kernformen unter Verwendung kontinuierlicher Kohlenstofffasern kann auf eine Reihe von Strukturelementen in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen hochwertigen Sektoren angewendet werden. Moderne Flugzeuge verwenden üblicherweise Sandwichstrukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK) für ihre Höhenruder, Ruder und Steuerblätter als Flugsteuerflächen.

6. Hochleistungspolymere

Hochleistungspolymere wie PEI (ULTEM), PEEK, PEKK und PPSU weisen im Vergleich zu vielen Standardpolymeren, die üblicherweise in technischen Anwendungen verwendet werden, bemerkenswerte mechanische Eigenschaften und eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Polymere wie Nylon, ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) oder Polyethylen sind bei Belastung und Hitze deutlich anfälliger. Durch die Kombination diskontinuierlicher Carbonfasern mit dem Hochleistungspolymer PEKK entsteht ein Verbundwerkstoff mit deutlich verbesserten Eigenschaften. 

7. Keramische Verbundwerkstoffe

Keramische Verbundwerkstoffe stehen zunehmend für additive Fertigungsverfahren zur Verfügung, doch ihre Akzeptanz ist aufgrund der begrenzten Wissensbasis außerhalb von Fachgebieten langsam. Ihre Vorteile sind beträchtlich – große Zähigkeit, Härte und außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber erhöhten Temperaturen, was sie ideal für extrem anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt macht. Mit additiver Fertigung gedruckte Keramikteile bergen ein großes Potenzial für die Luft- und Raumfahrtbranche, da sie ein geringes Gewicht, eine hohe Festigkeit und eine große Umweltbeständigkeit bieten. Allerdings sind notwendigerweise restriktive Sicherheitszertifizierungen zeitaufwändig und werden noch nicht erreicht. Obwohl Techniken wie IJP und 3DP poröse Materialien erzeugen, gibt es nur wenige geeignete Oberflächenbehandlungen und Versiegelungen. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden „Was ist Keramik?“.

8. Invar®

Invar ist eine ungewöhnliche Nickel-Eisen-Legierung, die für ihren extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt ist. Dies macht es ideal für Anwendungen, die Dimensionsstabilität unter stark schwankenden Temperaturbedingungen erfordern, diese Eigenschaft überträgt sich auf die additive Fertigung. Diese einzigartige Eigenschaft macht es in verschiedenen Branchen, einschließlich der Luft- und Raumfahrttechnik, von unschätzbarem Wert. Der innovative Einsatz von Invar im 3D-Druck ist ein bahnbrechender Ansatz, der sich noch im experimentellen Stadium befindet und verspricht, verbesserte Möglichkeiten in Bezug auf Maßkontrolle und Stabilität zu bieten.

9. Tantal

Im Luft- und Raumfahrtsektor wird Tantal in kritischen Teilen eingesetzt, die sowohl hohen Temperaturen als auch hohen Belastungen ausgesetzt sind. Die Heißkorrosionsbeständigkeit von Tantal ist besonders vorteilhaft in Luft- und Raumfahrtanwendungen, wo in Gasturbinen häufig Abgase, heiße Feuchtigkeit und schnell schwankende Temperaturen ausgesetzt sind. Tantal ist zusammen mit anderen Refraktärmetallen außerordentlich schwierig auf herkömmliche Weise zu verarbeiten, aber die additive Fertigung überwindet diese Herausforderungen. Spezifische Anwendungen umfassen:Turbinenschaufeln, Düsensegmente für Satellitenantriebe und Komponenten für Hyperschallflüge.

10. Kobalt-Chrom-Legierungen

Kobalt-Chrom-Legierungen werden wegen ihrer guten Eigenschaftskombination – hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Biokompatibilität – verwendet. Aufgrund ihrer Fähigkeit, hohen Temperaturen und sich schnell ändernden mechanischen Belastungen standzuhalten, werden sie zunehmend in Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt, insbesondere in Komponenten von Gasturbinentriebwerken. Kobalt-Chrom-Legierungen werden in der Luft- und Raumfahrt für Triebwerkskomponenten, Flugzeugstrukturteile, Raketentriebwerkskomponenten und Hitzeschilde eingesetzt. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zu Superlegierungen.

Müssen 3D-gedruckte Strukturkomponenten für die Luft- und Raumfahrt irgendwelche gesetzlichen Standards erfüllen?

Ja. Vor dem Einsatz in Flugzeugen müssen 3D-gedruckte Luft- und Raumfahrtstrukturkomponenten nach strengen Tests eine FAA- oder EASA-Zulassung erhalten. Der Sektor legt zwangsläufig großen Wert auf Zuverlässigkeit und Sicherheit zum Schutz von Leben (und Ausrüstung), daher müssen diese Komponenten strenge Test- und Validierungsverfahren durchlaufen. Regulierungsbehörden wie die Federal Aviation Administration (FAA) und die European Union Aviation Safety Agency (EASA) verfügen über strenge Kontrollen. Diese Standards garantieren den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Flugzeugen.

Was ist die Zukunft des 3D-Drucks von Strukturbauteilen in der Luft- und Raumfahrt?

Der Einsatz der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist auf Wachstumskurs. Luft- und Raumfahrthersteller stellen nach und nach einige tragende Komponenten und Bauteile für heiße Bereiche vom traditionellen Guss auf den 3D-Druck um, trotz der aktuellen Auswirkungen auf die Preise dieses jungen, kostenintensiven Angebots. Die Marktdurchdringung und Nachfrage nach additiver Fertigungstechnologie nimmt in der Branche weiter zu. Es wird erwartet, dass der Einsatz des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrt in der nächsten Zeit aufgrund von Entwicklungen in der Drucktechnologie, die die Leistung verbessern und die Preise senken, zunehmen wird. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zur Funktionsweise eines 3D-Druckers.

Wie unterscheidet sich der 3D-Druck von Strukturteilen für die Luft- und Raumfahrt von der herkömmlichen Fertigung?

Der Prozess und die Materialien, die beim 3D-Druck von Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt verwendet werden, unterscheiden sich um Welten von denen, die in der traditionellen Fertigung verwendet werden. Beim 3D-Druck werden additive Techniken verwendet, um Teile Schicht für Schicht aus einem digitalen Modell aufzubauen, im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren wie der maschinellen Bearbeitung oder einteiligen Verfahren wie dem Gießen. Dadurch werden komplexe Geometrien, stark reduzierter Ausschuss und agile Entwicklungs-/Testzyklen im Design ermöglicht. Zahlreiche Materialien können als Alternative zu Bearbeitungs-, Form- oder Gussverfahren im 3D-Druckverfahren hergestellt werden.

Kat de Naoum

Kat de Naoum ist eine Autorin, Autorin, Redakteurin und Content-Spezialistin aus Großbritannien mit mehr als 20 Jahren Erfahrung als Autorin. Kat hat Erfahrung als Autorin für verschiedene Fertigungs- und Technikunternehmen und liebt die Welt des Ingenieurwesens. Neben ihrer Tätigkeit als Schriftstellerin war Kat fast zehn Jahre lang als Rechtsanwaltsgehilfin tätig, davon sieben Jahre in der Schiffsfinanzierung. Sie hat für zahlreiche Publikationen geschrieben, sowohl in gedruckter Form als auch online. Kat hat einen BA in englischer Literatur und Philosophie sowie einen MA in kreativem Schreiben von der Kingston University.

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