Firmenbeitrag ( Was ist das? )

Warum 3D-Druck in der Luftfahrt immer populärer wird

06.05.2016 - 11:05 0 Kommentare

Additive Fertigungsverfahren zählen heute bereits zu den gängigen Produktionsmethoden, die "industrielle Revolution aus dem Drucker" verfügt über kaum abschätzbare Zukunftsperspektiven. Eine Analyse über die Vorteile dreidimensionaler Drucktechniken.

Airbus A350-Teil aus dem 3D-Drucker. - © © Airbus -

Airbus A350-Teil aus dem 3D-Drucker. © Airbus

In der Luftfahrtindustrie zeichnet sich ein Wandel ab, der die Fertigungs- und Logistikstrukturen der gesamten Branche auf den Kopf stellen könnte. Statt Bauteile von Zulieferfirmen zu beziehen, könnten die Flugzeugbauer diese künftig selbst herstellen - per 3-D-Druck.

Bislang bauen die Flugzeughersteller in ihren Montagehallen die von externen Firmen angelieferten Komponenten zum fertigen Flugzeug zusammen. Fehlt ein Bauteil oder fällt eine Zulieferung aus, kann dies den gesamten Fertigungsprozess blockieren. Auch ist man völlig von der Fertigungs- und Lieferkapazität der Zulieferer abhängig.

Dies könnte sich mit der Weiterentwicklung des "additive Manufacturing" ändern. Denn die neue Technologie folgt einem einfachen Prinzip: Schicht für Schicht werden die benötigten Komponenten aus Metallpulver, das aufgrund seiner Eigenschaften bevorzugt verwendet wird, gedruckt und ausgehärtet. Der Boom verstärkt sich, ein Ende ist nicht in Sicht.

Was versteht man unter additiver Fertigung?

Der Begriff additive Fertigung umfasst eine Anzahl physikalischer und chemischer Verfahren - in der Fachsprache als additive Manufacturing bezeichnet - bei denen dreidimensionale Werkstücke in Schichten - sogenannten Layern - aufgebracht werden. Das pulverförmige Ausgangsmaterial, meist Metall, Kunststoff oder Keramik, wird kontrolliert erhitzt und anschließend ausgehärtet. Diese Drucktechnik findet unter anderem im Goldschmiedehandwerk, in der Industrie (vor allem Luftfahrt und Automobilbau), in der Forschung sowie im Kultur- und Unterhaltungsbereich Anwendung.

So ging das britische Luftfahrtunternehmen BAE bereits dazu über, Teile für einen Jet im 3D-Druckverfahren herzustellen und in dem von der EU co-finanzierten "Merlin-Projekt" testen Triebwerkshersteller wie Rolls-Royce und MTU bereits die Eigenschaften von in dreidimensionalen Druckverfahren hergestellten Antriebsschrauben. Auch die aktuelle Branchenstudie zur Luftfahrtindustrie demonstriert die Bedeutung additiver Fertigung für die gesamte Branche: 26 von 100 befragten Top-Managern stuften neue Technologien als wichtige Trends in der industriellen Fertigung ein.

Die Situation beeinflusst auch die Strategie der Big Player in der Branche. So ist der größte Triebwerkshersteller der Welt, der US-Konzern General Electric, bereits bei den beiden führenden 3-D-Druckmaschinen-Herstellern Morris Technology und Rapid Quality Manufacturing als Teilhaber eingestiegen, um sich den Zugang zu deren Maschinenpark und Know-how langfristig zu sichern. In ein paar Jahrzehnten werde es möglich sein, komplette Triebwerke auszudrucken, heißt es in der Vorstandsetage von General Electric.

Boeing und Airbus beschäftigten sich derzeit intensiv mit additive Manufacturing und haben bereits einen eigenen Maschinenpark aufgebaut. So heißt es in einer Pressemitteilung vom 8. April 2016: "Airbus erhält ab Mitte 2016 Titanbauteile aus dem 3D-Drucker - Der Konzern Alcoa wird für den Bau von Airbus-Flugzeugen den Flugzeughersteller mit Titanbauteilen aus dem 3D-Drucker beliefern. Das berichtet Alcoa. Um welche Bauteile es sich dabei konkret handelt, berichtet das Unternehmen nicht. Die Lieferung der 3D-Komponenten an Airbus soll Mitte 2016 beginnen."

In der Industrie häufig eingesetzte additive Fertigungsverfahren


  • Selective Laser Sintering (SLS)

    Beim selektiven Laserschmelzen liegt der Druckstoff in Pulverform vor, die einzelnen Schichten werden mittels eines CO2-Lasers unter Schutzatmosphäre verschmolzen. Auf diese Weise lässt sich neben Kunststoff auch Sand, Metall und Keramik verarbeiten. In der industriellen Fertigung kommt bevorzugt Metall als Ausgangsstoff zum Einsatz, da dieser Werkstoff zahlreiche positive Eigenschaften aufweist.

  • Stereolithografie (SLA)

    Dieses additive Verfahren verwendet flüssige Photopolymere (Kunststoffe wie Acryl- oder Epoxidharz, die unter Einwirkung von ultraviolettem Licht ihre Eigenschaften ändern und aushärten), ist ein Verfahrensprinzip des Rapid Prototyping und stellt eine derzeit häufig angewendete dreidimensionale Drucktechnik dar. In einem mit liquiden Photopolymeren gefüllten Becken werden die einzelnen Layer (horizontal angeordnete, zweidimensionale Scheiben) des dreidimensionalen Modells schichtweise via Laser auf das flüssige Trägermaterial aufgebracht. Sobald der erste Layer erstarrt ist, zieht ein Teleskoparm das Objekt um eine Schicht nach unten, um neuerlich Trägerstoff anzusammeln. Darauf wird die nächste Schicht aufgebracht. Nach diesem Vorgang wird der vorgehärtete Rohling aus dem Becken genommen und in einer Art Dunkelkammer bis zur völligen Aushärtung belichtet. Bei dieser Methode, die gegenüber anderen additiven Verfahren durch höhere Material- und Verarbeitungskosten gekennzeichnet ist, entstehen keine Übergänge zwischen den einzelnen Schichten, wodurch ein Nachbearbeiten nicht erforderlich ist. Im Flugzeugbau kommt diese Technik hauptsächlich für die Herstellung von Kunststoffkomponenten für die Inneneinrichtung (Sitze, Wandverschalungen etc.) in Frage, aufgrund der relativ hohen Produktionskosten werden wohl eher Sonderausstattungen in kleiner Stückzahl gefertigt werden.

  • Additive Manufacturing mit Perspektiven - das direkte Metall-Laser-Sintern (DMLS)

    Die Methode zählt zu den generativen Rapid Prototyping Verfahren (schichtweiser Aufbau des Werkstücks) und wird derzeit vor allem zur raschen Herstellung von Werkzeugen, sogenannter Rapid Tools, eingesetzt. Leider konnten bisher lediglich drei geeignete Werkstoffe als Ausgangsstoff für das Verfahren entwickelt werden. Dabei handelt es sich um Stahl- und Bronzepulver auf Mehrkomponentenbasis mit Korngrößen zwischen 20 und 50 Mikrometern. Obwohl die Festigkeit des Endprodukts höher ist als jene, die bei Kunststoff-3D-Verfahren erzielt wird, erschweren eine relativ ausgeprägte Rissanfälligkeit sowie hohe Material- und Verarbeitungskosten derzeit noch den Einsatz in der industriellen Produktion. Aufgrund des hohen Potentials, welches man dem Metallsintern mit Stahlpulver grundsätzlich zubilligt, wird jedoch bereits intensiv an einer Lösung dieser Probleme gearbeitet.

Welche additiven Druckverfahren werden in der Luftfahrtindustrie bevorzugt angewendet?

Die gesamte Flugzeugbranche - allen voran Airbus und Boeing - setzt mehr und mehr auf dreidimensionale Metalldruckverfahren. Diese Technologie - in der Fachsprache als selektives Lasersintern mit Metallpulver bezeichnet - ermöglicht die problemlose Umsetzung schwieriger Geometrie - etwa bei Turbinen- oder Triebwerkskomponenten - bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Stabilität sowie niedrigem Gewicht des Endprodukts. Die funktionelle Optimierung einzelner Systemkomponenten lässt sich mittels 3D-Metalldruck flexibel und mit geringem Aufwand durchführen, auch Sonderanfertigungen bei der Innenausstattung der Flugzeugkabinen - etwa für Fluggäste mit besonderen Bedürfnissen - sind schnell und einfach realisierbar.

Fazit

Additive Fertigung ist die Technologie der Zukunft. Für die Flugzeugindustrie bedeuten die selbstgefertigten Komponenten Chance und Herausforderung zugleich, da bei entsprechender Anpassungsentwicklung auch schwierige Triebwerks- und Turbinenkonstruktionen schnell und einfach umgesetzt werden können. Additiv gefertigte Teile lassen sich vor Ort herstellen, was eine aufwendige Beschaffungslogistik erspart. Die Komponenten haben trotz stabiler Form ein geringes Gewicht und senken daher Treibstoffverbrauch und CO2-Ausstoß. Gleichzeitig verringert diese Strategie die Abhängigkeit von Lieferanten.

Firmenbeitrag von: Comfycine UG ( Was ist das? )
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