Wie 3D-Druck Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung revolutioniert

Sie mögen noch nicht flugkritische Hardware sein, aber 3D-gedruckte Teile für kommerzielle und militärische Flugzeuge und Raumfahrzeuge erleichtern Gewichts- und Materialkostenreduzierung. Übersetzung: Es gibt ROI für sehr spezifische Anwendungsfälle – und funktionalen Nutzen aus den Einsparungen, die gut eingesetzt werden.

Additive Fertigung hat eine helle Zukunft. Aber wie hell wird sie für die Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie sein? Wir untersuchen, wie 3D-gedruckte Teile heute Auswirkungen haben – und betrachten einige Limitations.

Wir sprachen mit Engineering-Experten bei 3D Systems und 3DDirections, um herauszufinden, wohin additive Fertigung und 3D-Druck in Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung gehen. Aber zuerst schauen wir uns die Entwicklung der Branche in diesem lebendigen Vertikalsektor an.

Die Geschichte von 3D-Druck und additiven Teilen für Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung

Die Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie, insbesondere das US-Militär, war ein früher Anwender von 3D-gedruckten Teilen, aber hauptsächlich für Tests und Simulationen, da die Feuer- und Toxizitätswerte von Kunststoffen nicht mit Metallen für den Flug mithalten konnten – sowohl im Weltraum als auch über den Wolken.

Diese Testteile wurden meist in Drohnen und Satelliten eingesetzt, erklärt Bryan Newbrite, Application Engineer bei 3D Systems. Zwischen 2008 und 2013 wurden additiv gefertigte Kunststoffe wie Bluestone für Dinge wie Windkanäle und Luftkanalteile verwendet, aber auch Keramikharze für Simulationen.

Diese Anwendungsfälle waren gut für die Nachahmung von Strömungsverhalten. Diese Teile wurden nie mit Menschen eingesetzt. Vor dieser Ära, Mitte der 1990er, wurden einige 3D-Teile für Schnellguss verwendet.

Die Dinge begannen sich um 2007 bis 2013 zu ändern.

„Die größte Veränderung im Luftfahrtsektor war tatsächlich die Entwicklung von flammhemmendem selektivem Lasersintern“, sagt Newbrite. „Es ist eines der wenigen Dinge, die man in der kommerziellen Luftfahrt zu finden begann … Im Grunde nahm man Nylon 12 oder Nylon 11 und fügte Flammschutzmittel hinzu, damit es Flammentests besteht.“

Das war bedeutsam, weil es bedeutete, dass das Material etwas Hitze aushalten konnte, ohne Feuer zu fangen – und sich schnell selbst löschen konnte, ohne giftige Dämpfe abzugeben.

Erstmals wurde es in Satelliten eingesetzt. Der Hauptgrund? Return on Investment.

„Es kostet 40.000 bis 50.000 Dollar pro Kilogramm, einen Satelliten in geostationäre Umlaufbahn zu bringen“, sagt Newbrite. „Wenn Sie also eine strukturelle Halterung oder ein internes Satellitenelement designen und einige Kilogramm einsparen, dann wird der tatsächliche Mehrkostenaufwand für den additiven Bau mehr als aufgefangen.“

Ein entscheidender Moment in der Geschichte des 3D-Drucks in der Luftfahrt: GEs LEAP-Triebwerk-Düse

Eines der bemerkenswertesten additiven Teile für die kommerzielle Luftfahrt war eine 3D-gedruckte Kraftstoffdüse von GE für das LEAP-Triebwerk. Es ist ein leuchtendes Beispiel dafür, wie Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen Früchte tragen – und viel Aufmerksamkeit für Innovation erregen.

„Wie GE bei diesem Projekt erfolgreich war, war, dass sie rohe Gewalt anwenden mussten, um es zu ermöglichen, was bedeutete, dass sie Tausende und Abertausende dieser Düsen bauten, um sie als druckbare, lebensfähige Teile zu qualifizieren“, erklärt Chris Barrett, Präsident und Gründer von 3DDirections, einem additiven Fertigungsberater und Maschinenbau-Experten.

Barrett arbeitet für Universal Technology Corporation als Forschungswissenschaftler und ist Ph.D.-Kandidat an der Youngstown State University in Ohio.

„Die Art, wie sie es vorher machen mussten, war im Grunde tonnenweise Lagen verschiedener Folien, die zusammengepresst wurden“, sagt Barrett. „Und das war der einzige Weg, um die nötige Komplexität zu erreichen. Für die 3D-Version nutzte man denselben Schichtansatz, aber stellen Sie sich vor, man macht es manuell.“

Laut GE sind die 3D-gedruckten Düsen „fünfmal langlebiger als das vorherige Modell“ und der additive Ansatz „ermöglichte Ingenieuren ein einfacheres Design, das die Anzahl der Löt- und Schweißstellen von 25 auf nur fünf reduzierte.“

Ein gemeinsames Thema bei 3D-Druck und additiver Fertigung: Reduktion von Teilen, Schritten oder Gewicht

Sowohl Barrett als auch Newbrite weisen darauf hin, dass die meisten 3D-gedruckten Teile für Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung heute nicht flugkritisch sind. Trotz GEs Vorstoß mit Kraftstoffdüsen ist die Hochvolumenproduktion ein Problem.

„Mit der Zeit werden die additiven Technologien und Ansätze sicher aufholen“, sagt Newbrite. „Aber kostenmäßig sieht man derzeit nicht viel davon in der Produktion. Große Verkehrsflugzeuge sind sehr effizient geworden. Wirklich, die meisten Anwendungsfälle konzentrieren sich stark auf Militär, Drohnen, unbemannte Flugzeuge und Satelliten, wo Gewicht wirklich zählt.“

Traditionelle Fertigungsmethoden mit fortschrittlichen und präzisen CNC-Maschinen werden die Branche weiterhin dominieren, da sie am kosteneffektivsten bleiben.

„Es ist meistens 10- bis 100-mal teurer als traditionell“, sagt Barrett. „Also muss es am Ende des Tages eine 10- bis 100-fache Verbesserung als Teil zeigen.“

Doch es gibt einige Anwendungen im Einsatz heute, und viele andere, die evaluiert werden. Die großen kommerziellen und Verteidigungs-OEMs einschließlich Boeing, Airbus, Honeywell, GE und Lockheed Martin investieren stark in additive Fertigungsforschung.

Barrett verweist auf ein weiteres F&E-Projekt von GE, das versuchte, die meisten Teile eines Flugtriebwerks – ein fortschrittliches Turboprop-Triebwerk (ATP) – zu drucken und mit Titan-Superlegierungen erfolgreich war.

„GE nahm ein Triebwerk, das aus 855 Teilen bestand, und reduzierte es auf etwa 12“, sagt Barrett. „Sie konnten das Triebwerksgewicht um 100 Pfund reduzieren und die Kraftstoffeffizienz um 20 Prozent steigern.“

Sehen Sie alle 3D-gedruckten Komponenten von GEs ATP-Triebwerk. Quelle: GE

Die Gewichtsreduzierung ermöglichte auch eine 10-prozentige Leistungssteigerung gegenüber dem Vorgänger. Dieses Triebwerk soll in Produktion für Textron Aviations Cessna Denali Flugzeug gehen.

Haben Sie eine technische Frage? Fragen Sie das MSC Metalworking Tech Team im Forum.

3D-Druck für Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung: MRO und Ersatzteile

Einer der interessanteren Anwendungsfälle für 3D-Druck ist die Herstellung von Ersatzteilen für ältere Flugzeuge, wie sie bei C-130s und B-52s zu finden sind. Die Flugzeuge sind älter, aber noch im Einsatz für Fracht- und Truppentransport – und ihre Teile werden immer schwerer zu ersetzen, erklärt Barrett.

Das Problem? Flugzeuge können für längere Zeit am Boden bleiben – manchmal mehrere Jahre wegen fehlender Ersatzteile. Einige dieser Flugzeuge sind 50 Jahre alt, und Firmen stellen keine Teile mehr her – oder sind pleite. Firmen, die bereit sind, Ersatzteile zu machen, brauchen Jahre dafür.

„Als wir anfingen zu recherchieren, stellten wir fest, dass einige dieser Teile, weil sie so viele Jahrzehnte im Flugzeug saßen und herumgeschlagen wurden, sich gedehnt und verformt haben, wie das Flugzeug sich gedehnt und verformt hat“, sagt Barrett. „Jedes Teil ist ein bisschen anders, weil die 90-Grad-Kurve jetzt nicht mehr 90 Grad ist, sondern vielleicht 85 Grad. Nun, ich kann keine Gussform machen, die all diese Unterschiede abdeckt. Also ist es ein perfekter Fall für 3D-Druck.“

Unternehmen wie 3D Systems und andere können maßgeschneiderte Teile für jedes Flugzeug herstellen, indem sie 3D-Scanner an ein Flugzeug bringen, digitale Dateien erstellen und jedes Teil drucken, das auf die Form und Geometrie dieses Teils in seinem aktuellen Zustand zugeschnitten ist.

Sehen Sie MRO und Ersatzteile für ältere Militärflugzeuge. Quelle: 3D Systems

Dieses Legacy-Ersatzteilprojekt umfasst eine Reihe öffentlicher und privater Organisationen durch eine Initiative namens Maturation of Advanced Manufacturing for Low-Cost Sustainment (MAMLS), finanziert vom Air Force Research Laboratory.

Ein Hersteller, der Fortschritte bei C-130-Flugzeugen gemacht hat, ist Metro Aerospace, ein Unternehmen, das auf Better MRO bei der International Manufacturing Technology Show 2018 vorgestellt wurde. Metro Aerospace liefert Microvanen-Teile an das Militär. Microvanen bestehen aus einem leichten, nicht korrosiven, langlebigen Polymerverbund, der Glas und Nylonperlen enthält.

Lesen Sie alles über die Herausforderungen und Produktionserfolge von Metro Aerospace im Artikel „How to Take a 3D-Printed Part to Market in Aerospace.“

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