3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt

Die additiven Verfahren sind in einigen Bereichen bereits eine Alternative zu herkömmlichen Verfahren. Welche Potenziale sie in der Luft- und Raumfahrt freisetzen können. › von Lena Wietfeld

Die Produktion mit Hilfe der additiven Fertigung im Bereich der Luft- und Raumfahrt bringt viele Vorteile mit sich. Drei ausschlaggebende Faktoren sind dabei hervorzuheben: Kostenreduktion, Gewichtseinsparung und die Reduzierung der CO2-Emissionen durch Kraftstoffeinsparung. Die 3D-Drucker des deutschen Herstellers German Reprap finden Anwendung in der Branche und sorgen mit genau diesen Vorteilen für zufriedene Kunden.

Revolutionärer Wandel

Gerade in den letzten Jahren hat sich in der Fertigung der Luft- und Raumfahrtbranche viel verändert. Es hat ein Wandel vom einstigen Prototyping mittels 3D-Druck zur Produktion von Fertigungswerkzeugen und deren Einsatz in der Produktion stattgefunden. Dies spiegelt sich ebenfalls in den kürzlich veröffentlichten Ergebnissen der International Data Corporation (IDC) wider, die aufzeigen, in welchem Umfang europäische Unternehmen der Luft- und Raumfahrtbranche die additive Fertigung bereits in ihre vorhandenen Prozesse integriert haben.

Der Trend geht definitiv zur Einführung der additiven Fertigungsverfahren, denn mit der neuen Technologie lassen sich komplexe Strukturen herstellen und das Gewicht von Bauteilen und Baugruppen reduzieren. Die Flexibilität der Formen geht einher mit kürzeren Produktionszyklen. Auch Teile, bei denen eine Produktion bislang mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur teilweise möglich war, können nun ohne die normal benötigten hohen Zeit- und Kostenaufwände gefertigt werden.

Bereiteten allzu komplexe Formen und Designs den Ingenieuren bisher Bauchschmerzen, weil ihre Konstruktionen fertigungsadäquat gedacht sein mussten, spielt die Komplexität für die neue Technologie eine wesentlich geringere Rolle. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich nun auch Einzelproduktionen ab Los 1 rentieren können. In der konventionellen Produktion kostet das „Einzelstück“ ein Vermögen. Viele herkömmliche Verfahren rechnen sich erst, wenn das Werkstück zu tausenden in einer Serienproduktion gefertigt werden kann, also auch entsprechend oft gebraucht und abgenommen wird.

Große Drucker für die kleine Serie

Der vermehrte Einsatz der 3D-Drucker in der Serie führt zu einem Größenwachstum der Geräte. Die Maschinen werden zudem immer schneller. Gerade die Kleinserienfertigung stellt deshalb keine Probleme mehr dar und findet zielsicher mehr und mehr Anwendung in der Luft- und Raumfahrtbranche.

Anwender profitieren

Gemeinsam mit den Kunden aus der Branche, wie beispielsweise Airbus Helicopters, widmet sich German Reprap der Weiterentwicklung von Materialen und der Prozessimplementierung, um den individuellen Anforderungen gerecht zu werden. Die Basis dafür ist das einheitliche Verständnis und Wissen für die branchenspezifischen Fertigungsanforderungen. Gesetzliche Vorschriften und Prozesskomplikationen werden dabei berücksichtigt. Gerade Richtlinien und Vorschriften halten dabei mit der Entwicklung der Technologie nicht mit.

3D-Druck beginnt im Kopf

Allen Hindernissen zum Trotz, suchen Hersteller additiver Anlagen gemeinsam mit den Anwendern in Luft- und Raumfahrt nach Lösungen, die einen alltäglichen Einsatz der additiven Fertigung möglich machen und sie darüber hinaus zu einem technischen Kernbereich weiterentwickeln können. Eine Grundvoraussetzung dafür ist die Schulung der Anwender, da bei der Einbindung eines 3D-Druckers oft ein generelles Umdenken der Benutzer nötig ist.

„Der 3D-Druck beginnt im Kopf und muss erst in das Bewusstsein der Konstrukteure und Produktionsplaner gelangen“, so Florian Bautz, Geschäftsführer von German Reprap.

Faktor Gewicht

Der Faktor Gewicht ist in der Luft- und Raumfahrt essentiell. Konkrete Beispiele wie die Reduzierung der Treibstoffkosten und der damit verbundenen Steigerung der Nutzlastmengen, zeigen, welche Vorteile durch den Einsatz der additiven Fertigung erreicht werden können. Durch eine genaue Berechnung können die Komponenten soweit optimiert werden, dass das Gewicht ohne jegliche Zusatzkosten gesenkt werden kann. Ohne eine Analyse ist dieses Potential jedoch kaum ersichtlich, da sich die Einsparungen erst langfristig gesehen ihr Potenzial freisetzen.

Die Umsetzung stellt sich wie folgt dar: das bisherige Design wird mithilfe einer Topologieoptimierung überarbeitet und anschließend neu modelliert. Konkret lässt sich hierdurch je nach Anwendungsfall eine Gewichtseinsparung von bis zu 70 Prozent erzielen. Allein Kostentechnisch gesehen, lassen sich durch Gewichtsverringerungen über die Lebenszeit erhebliche Kerosin-Mengen einsparen, was sich zusätzlich positiv auf das Thema CO2-Emissionen auswirkt. Das Potential der neuen Technologie eröffnet der Luft- und Raumfahrt die Möglichkeit, den Treibstoffverbrauch sowie die Freisetzung von klimaschädlichem CO2 weiter zu reduzieren.

Auf diese Weise kann die Industrie einen wichtigen Teil zum Umweltschutz beitragen. Die gesellschaftliche Relevanz dieses zukunftsweisenden Themas dehnt sich weiter aus und kann auch in der Produktion nicht ignoriert werden.

Genial als Fertigungshilfsmittel

Die wahre Genialität der additiven Fertigung als Fertigungshilfsmittel zeigt sich erst über den Lebenszyklus eines 3D-Druckers. Als Werkzeug zur effektiveren Fertigung genutzt, schaffen die Unternehmen einen hohen wirtschaftlichen Mehrwert. Viele Teile, die bis dato extern von der Produktion bestellt werden mussten, lassen sich nun selbst und adhoc herstellen. Die Produktion wird flexibler und das Unternehmen ist freier in Bezug auf die Fertigungsprozesse, denn es mildert die Abhängigkeit der eigenen Produktion von Lieferanten.

Risiken wie Produktionsstillstände und sich daraus ergebende mitunter hohe Kosten lassen sich vermeiden. Kurzfristige Änderungen im Design der Konstruktionen sind schnell und flexibel angepasst, sodass keine Zeit verloren geht und die Komponenten direkt vor Ort erstellt werden
können.

Carbon und 3D-Druck

German Reprap greift auf die langjährigen Erfahrungen und die gemeinsame Zusammenarbeit mit den Kunden zurück, um die hohen Anforderungen zu erfüllen, die an die Materialien im Bereich Luft- und Raumfahrt gestellt werden. Technische und Hochleistungskunststoffe für die Luft- und Raumfahrt, wie das neu ins Portfolio aufgenommene PEKK-Carbon, tragen dazu bei, dass Anwendungen in vielen verschiedenen Industriebereichen effizienter und wirtschaftlicher eingesetzt werden können. Zu den Eigenschaften des PEKK Carbon zählen insbesondere ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit. Je nach Anwendungsfall kann Materialbedingt sogar ein Gewichtsvorteil von bis zu 25 Prozent geschaffen werden.

Welche Vorteile die Verwendung leichter Werkstoffe im Hinblick auf Kraftstoffeffizienz und Emissionsreduzierung bringt, wurde bereits erwähnt. Allerdings können diese Faktoren auch zu einer längeren Lebensdauer von Komponenten führen. Das PEKK Carbon ist zudem nicht anfällig für Korrosion, wenn es in der Luftfahrt zum Einsatz kommt.

Fazit

German Reprap hat sich unter anderem auf die Luft- und Raumfahrt spezialisiert, da entsprechende Unternehmen Pioniere in der additiven Fertigung sind. Diese kann schnell Mehrwerte generieren, die für die Unternehmen enorme wirtschaftliche Vorteile schaffen. Ein weiterer Grund für das immense Wachstum der additiven Fertigung bei der Herstellung von Luftfahrzeugen, ist die steigende Einführung der Technologie auch bei den Lieferanten der Unternehmen. Das Potential in diesem Sektor ist jedoch noch lange nicht ausgeschöpft. jbi ‹

Autor: Lena Wietfeld ist Marketing Manager bei German Reprap in Feldkirchen bei München.

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