Wie die additive Fertigung die Luft- und Raumfahrtindustrie verbessert

Seit den Anfängen der additiven Fertigung haben Anbieter von 3D-Druckhardware und -materialien die Luft- und Raumfahrtindustrie als wichtigen Markt für ihre Produkte identifiziert. Flugzeuge, als hochkomplexe Systeme mit einer Vielzahl von Bauteilen, profitieren von modernsten Entwicklungen bei Produktionswerkzeugen und -materialien, insbesondere solchen, die das Gewicht reduzieren oder die Festigkeit von Komponenten erhöhen können. Einige 3D-Druckverfahren versprechen beides.

Das bedeutet leider nicht, dass die Luft- und Raumfahrt die additive Fertigung schneller eingeführt hat als andere Branchen. Da Flugzeuge und ihre unzähligen Komponenten – aus naheliegenden Gründen – strengsten Zertifizierungs- und Testverfahren unterzogen werden müssen, kann es Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern, bis ein 3D-gedrucktes Bauteil für die Luft- und Raumfahrt vom Konzept bis zur Anwendung gelangt. Die Technologie ist vorhanden, das Wissen aus jahrelangen Tests und Beobachtungen jedoch nicht. Daher lässt sich die additive Fertigung in Branchen mit geringem Risiko, in denen weniger Menschenleben auf dem Spiel stehen, deutlich einfacher implementieren.

Die Implementierung von 3D-gedruckten Produkten in der Luft- und Raumfahrt verläuft zwar langsam, doch die bereits erfolgreich eingesetzten Teile haben bereits einen bedeutenden Einfluss auf die Branche. Von einfachen Dingen wie 3D-gedruckten Kabinenwänden bis hin zu absolut kritischen Bauteilen wie additiv gefertigten Metallmotorkomponenten – die additive Fertigung (AM) gewinnt in einer der lukrativsten und dynamischsten Branchen der Welt zweifellos an Bedeutung.

Dieser Artikel beschreibt nur einige der Möglichkeiten, wie additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt wird und zukünftig eingesetzt werden wird.

Gewichtsreduzierung & Festigkeitsoptimierung

Additive und subtraktive Fertigungsverfahren unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht, und die Wahl zwischen 3D-Druck und traditionellen Alternativen stellt oft ein Dilemma dar. Einer der Hauptunterschiede zwischen den beiden Ansätzen liegt jedoch in ihrer jeweiligen Fähigkeit, die innere Geometrie eines Bauteils zu formen.

Der 3D-Druck ist in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt äußerst nützlich, da er es Ingenieuren ermöglicht, Bauteile mit teilweise hohlen Innenräumen herzustellen. Diese Bauteile nutzen komplexe geometrische Muster, um ihre innere Festigkeit zu maximieren, ohne zusätzliches Gewicht zu erzeugen. Da 3D-Drucker Teile von unten nach oben aufbauen, können sie zur Herstellung gitterartiger Strukturen in Bauteilen wie Metallmotorkomponenten oder Kunststoffkabinentrennwänden eingesetzt werden. Mit traditionellen Verfahren wie dem Gießen (da das flüssige Material den gesamten Hohlraum ausfüllt) oder der spanenden Bearbeitung (da das Schneidwerkzeug das Innere nicht erreichen kann, ohne die Oberfläche zu durchdringen) wäre dies unmöglich.

Die Bedeutung dieser Gitterstrukturen kann kaum überschätzt werden. Beim Flugzeugbau ist jedes Gramm Gewicht ein Hindernis für maximale Effizienz. Dank 3D-Druck lässt sich die Masse eines Bauteils jedoch deutlich reduzieren, indem es mit einem teilweise hohlen, gitterstrukturierten Inneren gefertigt wird. Die gewundenen, sehnigen Gitterfäden können mathematisch optimiert angeordnet werden, um die Festigkeit zu maximieren und Spannungen zu minimieren. So wird sichergestellt, dass das Leichtbauteil genauso fest ist wie – wenn nicht sogar fester als – ein vollständig massives Bauteil. Noch wichtiger ist, dass der Raum zwischen den Fäden gewichtslos ist, wodurch die Gesamtmasse des Bauteils reduziert wird.

Es gibt zahlreiche Beispiele von Luft- und Raumfahrtunternehmen, die 3D-Druck zur Herstellung von Leichtbauteilen nutzen. 2011 verkündeten Forscher der zu Boeing gehörenden HRL Laboratories die Entwicklung eines Metalls, das sie für das „leichteste Material der Welt“ hielten. Seine Dichte von nur 0.9 mg/cm³ machte es etwa 100-mal leichter als Styropor. „Der Clou ist die Herstellung eines Gitters aus miteinander verbundenen Hohlröhren mit einer Wandstärke von 100 Nanometern – 1,000-mal dünner als ein menschliches Haar“, erklärte Tobias Schaedler, einer der Forscher.

Da Forscher weiterhin die Möglichkeiten von leichten, 3D-gedruckten Gitterstrukturen untersuchen, werden sich Luft- und Raumfahrtunternehmen zunehmend mit additiver Fertigung auseinandersetzen, um Gewicht zu reduzieren und die Festigkeit zu optimieren.

Prototypen & Ersatzteile

Einer der größten Vorteile der additiven Fertigung – branchenübergreifend – ist die Möglichkeit, Teile bedarfsgerecht und im eigenen Haus herzustellen. 3D-Drucker lassen sich überall aufstellen und arbeiten weitgehend autonom, wodurch die Lieferzeiten für 3D-gedruckte Teile extrem kurz sind. So können beispielsweise Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie schnell neue Versionen eines Bauteils für sofortige Tests fertigen, was den F&E-Prozess verkürzt und die Fertigstellung von Teilen beschleunigt.

Schnelleres Prototyping ist daher einer der Hauptanwendungsbereiche der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt, und die Ergebnisse sind erwiesen: Laut dem Unternehmen Stratasys , einem Riesen der additiven Fertigung, kann der Einsatz von hauseigenem 3D-Druck für Prototypen in der Luft- und Raumfahrt zu Zeiteinsparungen von rund 43 % im Vergleich zu Spritzguss und CNC-Werkzeugen und von rund 75 % im Vergleich zum 2D-Laserschneiden führen.

Ein weiterer Bereich, in dem die Luft- und Raumfahrtindustrie von additiver Fertigung profitieren kann, ist die Lagerhaltung. Ein durchschnittliches Verkehrsflugzeug besteht aus rund vier Millionen Bauteilen, die nicht alle vom selben Hersteller stammen. Daher müssen Flugzeughersteller einen riesigen Ersatzteilbestand vorhalten, falls ein Flugzeug repariert werden muss. Der Kauf dieser Ersatzteile ist mit hohen Kosten verbunden, ebenso wie die Anmietung der notwendigen Lagerflächen.

3D-Drucker bieten in diesem Bereich eine äußerst hilfreiche Lösung. Indem sie einen 3D-Drucker vor Ort einsetzen, können Luft- und Raumfahrtunternehmen – anstatt riesige Lagerhallen mit Millionen teurer Ersatzteile zu füllen – einfach eine digitale Ersatzteilbibliothek in einem druckbaren Format wie STL führen. So können die Unternehmen die Teile nur bei Bedarf 3D-drucken. Diese Strategie der digitalen Ersatzteilbibliotheken wird branchenübergreifend zunehmend übernommen und ihre großflächige Implementierung wird Jahrzehnte dauern, doch die Luft- und Raumfahrt könnte einer der größten Nutznießer sein.

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