Revolutionierung der Innenräume in der Luft- und Raumfahrt:Wie 3D-Druck Gewicht, Geschwindigkeit und Kosten senkt

Seit ihrer Gründung versucht die Luft- und Raumfahrtindustrie, das Gewicht von Flugzeugen mit allen notwendigen Mitteln zu reduzieren. Der 3D-Druck ist eine relativ neue Methode, um dieses Ziel zu erreichen. 3D-gedruckte Teile lassen sich fast immer schneller, leichter und kostengünstiger herstellen als ihre konventionell hergestellten Gegenstücke. Dies hat zu einer massiven Verbreitung von 3D-gedruckten Teilen im Flugzeuginnenraum sowie in allen anderen Aspekten des Flugzeugs geführt. Es sind nicht nur Flugzeuge, sondern auch Raketen, die eine Verwendung für den 3D-Druck gefunden haben, wobei sowohl SpaceX als auch die NASA Raketentriebwerke und -düsen in 3D drucken.

In diesem Artikel geht es um den 3D-Druck von Innenraumkomponenten für die Luft- und Raumfahrt, seinen Zweck, seine Funktionsweise, die Vor- und Nachteile sowie Beispiele für 3D-gedruckte Innenraumkomponenten für die Luft- und Raumfahrt.

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

Es gibt viele Gründe, warum der 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrtindustrie einen großen Aufschwung erlebt. Der Zweck des 3D-Drucks der Innenkomponenten eines Flugzeugs besteht darin, das Gewicht zu reduzieren (was den Treibstoffverbrauch senkt), Materialverschwendung zu reduzieren und eine schnelle Produktion kleiner bis mittlerer Chargen von Komponenten zu ermöglichen. Darüber hinaus reduziert der 3D-Druck den Bedarf an Lagerhaltung, da CAD-Dateien in einer Datenbank gespeichert und bei Bedarf gedruckt werden können. Es ermöglicht auch die Herstellung von Komponenten in einem Teil, sodass keine Montage erforderlich ist.

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

Der 3D-Druck von Innenraumkomponenten für die Luft- und Raumfahrt erfolgt nach dem gleichen Prozess wie jedes andere 3D-gedruckte Teil. Im Wesentlichen sind lediglich eine CAD-Datei und ein 3D-Drucker erforderlich. Vorausgesetzt, dass ein Teil bereits in einem CAD-System gezeichnet wurde, kann die Datei dann in Scheiben geschnitten werden und zur Eingabe in den 3D-Drucker bereit sein. Die Slicing-Software wandelt die CAD-Datei in einen G-Code um, eine Reihe von Vektoren, denen der 3D-Druckkopf folgen kann, um das Teil zu drucken. Anschließend wird die Datei auf den Drucker hochgeladen und ausgedruckt. Je nach Druck kann eine Nachbearbeitung erforderlich sein. Normalerweise umfasst die Nachbearbeitung eine abrasive Technik, um die Stützstruktur des 3D-Drucks zu entfernen. Dieses Verfahren ist am effektivsten für Kleinserienproduktionen und Produktionen mit komplexer Geometrie, die ansonsten eine lange Vorlaufzeit und einen hohen Preis hätten. 

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

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

1. Gewichtsreduzierung.
2. Reduzierter Kraftstoffverbrauch (aufgrund der Gewichtsreduzierung).
3. Reduzierte Lieferzeiten.
4. Benutzerfreundliches generatives Design. 
5. Minimierter Abfall.
6. Schnelles Prototyping. 

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

Der 3D-Druck hat auch Nachteile:

1. Für die Massenproduktion nicht kosten- oder zeiteffizient.
2. Begrenzt durch die Größe des Druckbetts. 
3. Begrenzt durch das Material (obwohl die Auswahl an Materialien wächst).
4. Teile sind anisotrop, mit einer Verringerung der Festigkeit in XY-Richtung aufgrund von Druckschichten.
5. Große Qualitätsunterschiede. 

Beispiele für 3D-gedruckte Anwendungen von Innenkomponenten für die Luft- und Raumfahrt?

Das Angebot an 3D-gedruckten Teilen für die Innenausstattung der Luft- und Raumfahrtindustrie ist größtenteils nichtstrukturell. Es wächst jedoch schnell. Einige Paradebeispiele für 3D-gedruckte Innenraumkomponenten sind:

1. Belüftungsöffnungen 
2. Leitung 
3. Leitwände
4. Kabelmanagement
5. Elektrogehäuse
6. Cover
7. Zuschneiden
8. Türschlösser 
9. Armlehnen 
10. Montagehalterungen 

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

Es gibt verschiedene Materialien, die für den Einsatz im Innenraum der Luft- und Raumfahrt bedruckt werden können. Nachfolgend sind einige der häufigsten Materialgruppen aufgeführt:

1. Polymere

Zu den üblicherweise zum Drucken von 3D-Komponenten verwendeten Polymeren gehören:PLA (Polymilchsäure), ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylat), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PET (Polyethylenterephthalat) und PC (Polycarbonat). 3D-gedruckte Polymerteile sind leichter als die Teile, die sie ersetzen, da 3D-gedruckte Teile im Wesentlichen hohl sind und eine kleine Füllung haben, um im Teil Halt zu schaffen. 3D-gedruckte Kunststoffteile werden aus einer CAD-Datei mit einem 3D-Drucker gedruckt und dann für verschiedene Anwendungen verwendet, z. B. für Abdeckungen, Leitungen, Abstandshalter, Vorhangköpfe und Getränkehalter. 3D-gedruckte Teile sind genauso langlebig wie die Teile, die sie ersetzen, allerdings mangelt es ihnen an Festigkeit in der tragenden Z-Richtung. 

2. Kohlefaser

Kohlenstofffasern werden immer in ein anderes Material wie Nylon oder ein anderes Polymer eingedruckt und entweder in Endlos- oder Schnittfaserform gedruckt. Die Endlosfaserform wird von einem separaten Druckkopf in das Innere eines Polymerteils gedruckt. Die gehackten Kohlenstofffasern haben eine Länge von weniger als 1 mm und sind im zu druckenden Polymerfilament enthalten. In den Lastpfaden werden durchgehende Kohlefasern verlegt, um die Festigkeit eines Teils in einer bestimmten Richtung zu erhöhen. Die zerkleinerten Kohlefasern hingegen erhöhen die Festigkeit des gesamten Teils. Beispiele für Artikel, in denen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz kommen, sind:Lichtschalttafeln, Komponenten für die Kabinenklimatisierung und Türschlösser. Kohlefasergedruckte Teile sind äußerst langlebig und ersetzen viele Aluminiumteile. 

3. Metall

Der Metall-3D-Druck wird mit einem etwas anderen Verfahren als bei Polymeren erreicht. Metalle liegen in Pulverform vor und werden dann mithilfe eines Lasers geschmolzen und mit dem Druckbett und den nachfolgenden Schichten verschmolzen. Der Prozess wird als selektives Lasersintern (SLS) bezeichnet. 3D-gedruckte Metallteile sind weniger verbreitet, da Metall in strukturelleren und flugkritischeren Komponenten verwendet wird und daher schwieriger zu qualifizieren ist. 3D-gedrucktes Metall wird jedoch häufig in Flugzeugtriebwerken in Lagergehäusen, Kraftstoffdüsen, Temperatursensoren und Wärmetauschern verwendet. 

4. Nylon

Nylon ist ein 3D-druckbares Polymer. Es unterscheidet sich jedoch von Materialien wie PLA und ABS, da Nylon flexibler und langlebiger ist. Nylon ist weniger steif und fest als PLA und ABS, hat aber eine zehnmal höhere Schlagfestigkeit als ABS. Nylon wird auf die gleiche Weise wie andere Polymere bedruckt, enthält jedoch meist eine Verstärkung aus Kohlefasern, um seine geringe Festigkeit auszugleichen. Onyx™ von Markforged ist ein kohlenstofffaserverstärktes Nylon, das für Bordunterhaltungskonsolen, Bedienfeldschalter und Sitzrahmen verwendet wird. 

5. Glasfaser

Ähnlich wie Kohlenstofffasern werden Glasfasern in 3D-gedruckten Polymeren als Verstärkung verwendet. Glasfasern gibt es in Endlos- oder Schnittform. Die gehackte Form wird in das Filament integriert und sorgt für eine Verstärkung des allgemeinen Teils. Endlosfasern hingegen sorgen für eine Verstärkung für einen bestimmten Lastpfad. Glasfaser ist billiger und weniger stark als Kohlefaser und wird für Anwendungen verwendet, bei denen Kohlefaser unnötig stark wäre. Schließlich haben Glasfasern ebenso wie Kohlefasern eine höhere Ermüdungslebensdauer als die meisten Metallkomponenten, die sie ersetzen. 

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

Die Zukunft für 3D-gedruckte Teile im Innenraum der Luft- und Raumfahrt ist großartig. Während es viele Anwendungen für den 3D-Druck gibt, werden noch viele weitere Anwendungen folgen. Dies liegt daran, dass der 3D-Druck Optionen für spezielle Komponenten ohne spezielle Werkzeuge eröffnet hat. Auch der 3D-Druck erweitert die Palette der verwendbaren Materialien. Es gibt bereits Hunderte von 3D-gedruckten Teilen in der Innenausstattung von Fluggesellschaften, und diese Verwendung wird voraussichtlich noch zunehmen, da der Wert des US-amerikanischen Luft-, Raumfahrt- und Verteidigungsmarktes bis zum Jahr 2026 5,58 Milliarden US-Dollar erreichen soll.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zur Funktionsweise von 3D-Druckern.

Häufig gestellte Fragen zum 3D-Druck von Innenraumkomponenten für die Luft- und Raumfahrt

Verwendet SpaceX 3D-Drucker?

Ja, SpaceX verwendet 3D-Druck für seine Raketen. Mit diesen Druckern fertigen sie Raketentriebwerke und Düsen. SpaceX hat 3D-Drucker verwendet, um seine SuperDraco-Triebwerkskammer mittels direktem Metall-Laser-Sintern (DMLS) aus Inconel zu drucken. SpaceX hat außerdem den Körper des Hauptoxidationsventils (MOV) für das Merlin 1D-Triebwerk in 3D gedruckt. Dieses Teil wurde in zwei Tagen gedruckt, statt dass die Herstellung sieben Monate in Anspruch nahm, und hat einen kürzeren Wartungsplan. 

Verwendet die NASA 3D-Drucker im Weltraum?

Ja, die NASA hat 3D-Drucker im Weltraum eingesetzt. Im Jahr 2014 verwendete die NASA in der internationalen Raumstation einen Drucker von Made In Space, Inc., um eine Druckkopf-Frontplatte zu drucken. Der gedruckte Teil wurde dann zur Analyse zur Erde zurückgebracht. Die Ergebnisse dieser Tests zeigten, dass es keine Unterschiede zwischen auf der Erde und im Weltraum gedruckten Exemplaren gab. Dies hat viele Möglichkeiten für den 3D-Druck im Weltraum eröffnet, wo Materialien recycelt und wiederverwendet werden können, im Gegensatz zu den wochen- oder sogar monatelangen Vorlaufzeiten, die für die Lieferung kritischer Komponenten zur internationalen Raumstation erforderlich sind. 

Können Sie neben Innenkomponenten auch Flugzeugteile in 3D drucken?

Ja, 3D-Teile werden in allen Bereichen von Flugzeugen verwendet, darunter im Innenraum, in den Triebwerken, in der Struktur, in elektrischen und hydraulischen Systemen sowie für Spezialwerkzeuge. Spezialwerkzeuge gehören aufgrund des geringeren Qualifikationsbedarfs zu den ältesten Anwendungen. Zu den Spezialwerkzeugen gehören:Vorrichtungen, Spritzgusswerkzeuge, Gussformen und Adapter. Flugzeuge verwenden auch 3D-gedruckte Halterungen, Ventile, Gehäuse und Lagergehäuse.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurde der 3D-Druck von Innenraumkomponenten für die Luft- und Raumfahrt vorgestellt, erklärt und die Arten der verwendeten Materialien besprochen. Um mehr über den 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt zu erfahren, wenden Sie sich an einen Xometry-Vertreter.

Xometry bietet eine breite Palette an Fertigungsmöglichkeiten, einschließlich 3D-Druck und anderen Mehrwertdiensten für alle Ihre Prototyping- und Produktionsanforderungen. Besuchen Sie unsere Website, um mehr zu erfahren oder ein kostenloses und unverbindliches Angebot anzufordern.

Urheber- und Markenhinweise

1. Onyx™ ist eine eingetragene Marke von Markforged.

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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