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Die besten 3D-Druck Anwendungen in der Luftfahrt

Am 29. Oktober 2021 von Alexander H. veröffentlicht

Auch wenn man beim Thema 3D-Druck vielleicht nicht sofort an die Luft- und Raumfahrt denkt, so war dieser Sektor doch einer der ersten, der die Technologie einsetzte. Was mit dem Einsatz für das Rapid Prototyping begann, wird zunehmend auch für Endbauteile eingesetzt. Das hat mehrere Gründe und liegt insbesondere an der Tatsache, dass mit der additiven Fertigung, leichtere, stärkere aber auch geometrisch komplexere Teile hergestellt werden können.  Diese Vorteile bieten einen erheblichen Mehrwert in Branchen wie der Luftfahrt , wo die Eigenschaften im Hinblick auf die Robustheit und Leichtigkeit der verwendeten Teile von größter Bedeutung sind. Um die zahlreichen Anwendungen des 3D-Drucks für diese Branche zu veranschaulichen, haben wir für Sie eine Auswahl der aktuellsten und beeindruckendsten Anwendungen der additiven Fertigung aus dem Luftfahrt  Segment zusammengestellt.

XB-1 Überschallflugzeug

XB-1 ist ein Flugzeug, das gegen Ende 2020 von Boom Supersonic auf den Markt gebracht wurde. Es wurde als Hochgeschwindigkeitsflugzeug konzipiert, vergleichbar mit der heute nicht mehr existierenden Concorde, welches als das erste unabhängig entwickelte Überschallflugzeug der Welt bekannt wurde. XB-1 ist außerdem bemerkenswert, weil das Flugzeug 21 3D-gedruckte Titanbauteile hat, die von Velo3D, einem Anbieter von Metall-AM-Lösungen, hergestellt wurden. Die Teile wurden alle mit dem Sapphire-Metall-AM-Drucker von Velo3D gefertigt, der mit LPBF arbeitet. Die Teile wurden im Anschluss für den Einsatz qualifiziert und wurden in die Triebwerkshardware, in das Umweltkontrollsystem des Flugzeugs sowie in mehrere Strukturteile integriert.

3D Printing aeronautics

Bild: Velo3D

Norsk Titanium lieferte Teile für die Boeing 787

Norsk Titanium US Inc, ein führendes Unternehmen im Bereich der additiven Fertigung mit Titan und in der Luft- und Raumfahrtindustrie tätig. Jüngst lieferte der Hersteller neue Teile für die Boeing 787 Dreamliner. Norsk verwendete ein Rapid Plasma Deposition (RPD)-Verfahren, bei dem ein Titandraht in einer Argongaswolke geschmolzen wird. Diese Technologie verbessert letztlich die Festigkeit und Haltbarkeit des fertigen Teils und funktioniert ähnlich wie Directed Energy Deposition (DED). Im Gegensatz dazu nutzt das Verfahren von Norsk jedoch einen Elektronenstrahl, der es ermöglicht, das Pulver an mehreren Stellen gleichzeitig zu erhitzen. Zu den Teilen gehörten 3D-gedruckte Titankomponenten, die von der FAA (Federal Aviation Administration, eine US-Regierungsbehörde, die die zivile Luftfahrt reguliert) zertifiziert wurden.

3D-gedruckte Hubschraubertürgriffe von Renishaw, HAP und NCAM

Das Ingenieurbüro Renishaw arbeitete mit Hyde Aero Products (HAP) und dem National Centre for Additive Manufacturing (NCAM) in Großbritannien zusammen, um 3D-gedruckte Türgriffe für zwei Hubschrauber der Klasse II zu liefern. Obwohl HAP bereits vor dieser Zusammenarbeit in den 3D-Druck von Polymeren investiert hatte, war das Projekt das erste Vorhaben mit dem Metall 3D-Druck. Ziel war es, herauszufinden, ob der 3D-Metalldruck eine praktikable und kosteneffiziente Lösung für die Herstellung von Griffen für Hubschrauber und möglicherweise für andere Teile ist. Zu diesem Zweck wurde das Bauteil im Laser-Pulverbett-Verfahren hergestellt und horizontal mit einem internen Gitterträger gedruckt.

Bild: NCAM

Eine Landebahnmatte der US-Luftwaffe

In den Vereinigten Staaten hat Indiana Technology and Manufacturing Companies (ITAMCO) im Rahmen des Small Business Innovation Research-Projekts in Zusammenarbeit mit einem Professor der Purdue University, Pablo Zavattieri, eine 3D-gedruckte Landebahnmatte für die von der US Air Force genutzten Expeditionsflugplätze (EAF) entwickelt. Diese EAFs ermöglichen es Militärflugzeugen, in jedem flachen Gelände der Welt zu starten und zu landen, was diese 3D-gedruckte Landebahnmatte zu einer unverzichtbaren Lösung für die Streitkräfte macht. Bisher war das US-Militär auf eine tragbare Start- und Landebahn angewiesen, die mit einer Matte aus Aluminiumplanken aufgebaut war. Mit dem Zuschuss in Höhe von 1 Mio. USD begannen Purdue und ITAMCO mit der Entwicklung von 3D-gedruckten Matten aus phasenumwandelnden zellulären Materialien (PXCMs) als Alternative zur AM-2-Matte, die seit dem Vietnamkrieg verwendet wird.

Bild: Purdue University/Pablo Zavattieri

Markforged Luxus-Flugzeugteile

Um den Kabinen von Privatflugzeugen eine luxuriöse Ästhetik zu verleihen, hat Cabin Management Solutions (CMS) zwei Markforged X7 3D-Drucker für den industriellen Einsatz von Kohlefasern eingesetzt, um qualitativ hochwertige Teile für den Endverbrauch zu drucken. Die Teile werden für die Aufrüstung und den Austausch von Kabinen in Luxusflugzeugen verwendet. Neben dem eleganten Finish erfüllen die Teile auch die strengen Anforderungen der FAA. CMS verwendet das flammhemmende, mit Mikrokohlefaser gefüllte Nylonmaterial Onyx FR von Markforged, um kundenspezifische Teile herzustellen, darunter Lichtschalter, USB-C- und Drop-in USB-A-Ladegeräte sowie verstellbare Touchscreen-Halterungen.

Bild: Cabin Management Solutions

Saab

Saab, ein schwedisches Luftfahrt- und Verteidigungsunternehmen, nutzt seit einiger Zeit die additive Fertigung in seinem Produktionsprozess, um Teile für seine Kampfjets selbst herzustellen. Der 3D-Druck ermöglicht es Saab, Teile zu erstellen und zu reparieren und gleichzeitig die Herstellungszeit und -kosten zu reduzieren. Im vergangenen März führte das Unternehmen einen seiner ersten Testflüge mit einem 3D-gedruckten Teil durch. Dabei handelte es sich um eine Luke aus PA 2200, einem Polyamid 12, das für den Außeneinsatz geeignet ist. Saab hofft, noch widerstandsfähigere Materialien zu finden, insbesondere in Anbetracht der eisigen Kälte die in großen Höhen vorherrscht. Außerdem will das Unternehmen ein mobiles 3D-Drucksystem entwickeln, das zu verschiedenen Stützpunkten mitgenommen werden kann.

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Bild: Saab

Satair

Das dänische Unternehmen Satair, das seit 2011 zu Airbus gehört, stellt seit 1957 Flugzeugkomponenten her. Mit Hilfe der additiven Fertigung hat das Unternehmen im vergangenen Jahr einen seiner Kunden mit einem zertifizierten Teil hergestellt im Metall 3D-Druck beliefert. Mit Hilfe des 3D-Drucks wurde ein Teil, nämlich ein Flügelspitzenschutz für ein A320ceo-Flugzeug, hergestellt, das beim traditionellen Lieferanten nicht mehr erhältlich war. Nach Angaben von Satair konnten durch diese Konstruktionsmethode die Kosten um 45 % gesenkt werden, während gleichzeitig die Flexibilität erhöht wurde.

Bild: Satair

ITP Aero

Das 1989 gegründete Unternehmen ITP Aero entwickelt und konstruiert Anwendungen für den Luftfahrtsektor. Vor kurzem hat das spanische Unternehmen mit Hilfe der SLS-Technologie (Selective Laser Sintering) eine der Hauptstrukturen des neuen UltraFan®-Triebwerks entworfen. Das TBH (Tail Bearing Housing) genannte Bauteil wird unter anderem als Verbindungselement zwischen dem Flugzeug und dem Triebwerk eingesetzt. Laut ITP Aero ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien bei geringem Pulververbrauch und einer Materialeinsparung von 25 Prozent. Nach Angaben des Unternehmens ist diese Herstellungsmethode umweltfreundlicher und reduziert den CO2 Ausstoß während des Produktionsprozesses.

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Bild: ITP Aero

3D-gedruckter Nasenkonus von Safran

Ende März hat die Safran-Gruppe das erste Bugfahrwerksgehäuse aus Titan vorgestellt, das auf einer Maschine von SLM Solutions gedruckt wurde. Mit einem beeindruckenden Volumen von 455 x 295 x 805 mm wurde das Teil in einem einzigen Durchgang gefertigt – dieses besteht normalerweise aus drei Teilen und wird mit einem 5-Achsen-Arm gefertigt. Das Titangehäuse, das den Belastungen des Bugrads eines Geschäftsreiseflugzeugs standhalten kann, wird im nächsten Jahr getestet. In jedem Fall konnte das Gesamtgewicht dank der additiven Fertigung mit Metall um 15 % reduziert werden, während Safran die Produktionszeit erheblich verkürzen konnte.

Bild: Safran

3D Printing and the Madrid Air Force

In Spanien hat die Maestranza Aérea de Madrid (MAESMA), eine Organisation, die für die Wartung der Flugzeuge und Hubschrauber der spanischen Luftwaffe zuständig ist, die additive Fertigung in ihre Fabriken integriert, um u. a. kundenspezifische Werkzeuge zu entwickeln und neue Komponenten zu testen. Genauer gesagt werden FDM-Geräte eingesetzt, um mit Kohlenstofffasern gefüllte Teile herzustellen. So wurden beispielsweise Werkzeugteile für die Leckagekontrolle oder ein spezieller Schlüssel für den Hauptrotor des Hubschraubers gedruckt. MAESMA hat auch in 3D-Scanner investiert, um Ersatzteile zu scannen und einen Vorrat an 3D-Dateien anzulegen, falls eine Wartung erforderlich ist.

Bild: MAESMA

Airbus zertifiziert 3D-gedruckte Teile von Materialise und EOS 

Neben der verwendeten 3D-Drucktechnologie, entscheidet auch die Wahl des Materials darüber, ob die hohen Qualitätsstandards für flugtaugliche Teile erfüllt werden können. PA 2241 FR, ein flammgeschütztes Polyamid von EOS, entspricht diesen Anforderungen und wurde von Airbus zertifiziert. In einer Zusammenarbeit mit Materialise sollen rund 100 verschiedene Teile für das A350-Flugzeug mit der Lasersintertechnologie im 3D-Druck hergestellt werden. Gefertigt werden die Teile, die einen gewissen Schutz gegen Feuer, Rauch und Toxizität bieten müssen, mit einem EOS P 770 3D-Drucker. Pro Jahr soll das Produktionsvolumen auf rund 26.000 Teile kommen.

Bild: Airbus

Lufthansa AM Center verfolgt ganzheitlichen Ansatz

Auch die deutsche Lufthansa Technik weiß die Vorteile des 3D-Drucks für die Luftfahrt zu nutzen. Die additive Fertigung wird hier in die Cluster “Prototyping”, “Tooling” und “Flying” aufgespalten. Die Technologie gestaltet daher sowohl die Reparatur- und Wartungsprozesse intern effizienter und wird zudem zur Fertigung von Einzelteilen und Ersatzteilen für Flugzeugbauteile genutzt. Außerdem können maßgeschneiderte Werkzeuge hergestellt werden, die entweder aus polymeren Werkstoffen oder Metall gefertigt werden. Im Cluster “Flying” muss stets das Genehmigungsverfahren zur Qualifizierung der Teile berücksichtigt werden, weshalb der Einsatz der additiven Fertigung jeweils bauteilspezifisch bewertet wird. Das Zentrum hat zum Ziel die Entwicklung und Implementierung von additiv hergestellten Produkten zu beschleunigen. 

Bild: Lufthansa Technik AG / Jürgen Mai

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