Welchen Beitrag leistet der 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrtindustrie?

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist ein äußerst anspruchsvolles Umfeld. Sie erfordert tadellose Elemente, die ständigem Verschleiß, hohem Druck und hohen Temperaturen standhalten. Es wird ständig innoviert und geforscht, um sicherzustellen, dass die Komponenten stark und widerstandsfähig, aber auch leicht sind, um die Leistung der Flugzeuge zu steigern, die Wartungsarbeiten zu erleichtern und die Mitarbeiter produktiver zu machen. Diese unverzichtbare Qualität und Zuverlässigkeit muss mit den Zeitplänen und Buchungen von kommerziellen Flügen und der Dringlichkeit und erforderlichen 24/7-Bereitschaft von Militärflugzeugen in Einklang gebracht werden. Wenn in der Produktions- und Logistikkette etwas schief geht, können die Verfügbarkeit, die Qualität und sogar die Sicherheit von kommerziellen und militärischen Flügen beeinträchtigt werden.

Die Entwicklung von AM in der Luft- und Raumfahrtindustrie

An dieser Stelle kommt die additive Fertigung ins Spiel. In der Anfangsphase der Entwicklung des 3D-Drucks handelte es sich um eine äußerst innovative, aber recht begrenzte Fertigungsmethode. Die 3D-Drucker waren eine kostspielige Investition, sie waren langsam und zu klein, um in großem Maßstab industriell eingesetzt zu werden. Außerdem war der Materialmarkt sehr begrenzt, insbesondere für technische Materialien, und die Hersteller von 3D-Druckern erlaubten häufig nur die Verwendung ihrer eigenen Materialien mit ihren Druckern (Herstellerbindung). Diese Zeiten des 3D-Drucks sind nun längst vorbei.

Heutzutage ist die additive Fertigung ein voll entwickelter Industriezweig, der sich durch eine herausragende Flexibilität bei der Gestaltung und der Kompatibilität von Material und Drucker, durch spezielle Software für präzises Design und Reverse Engineering, durch eine große Auswahl an hochentwickelten Materialien für die speziellsten Anwendungen, durch 3D-Großdrucker mit großen Bauflächen und durch die Möglichkeit, leichte Teile zu produzieren, die im Vergleich zu ihren CNC-Pendants keine Nachteile aufweisen, auszeichnet. 

Video 1. Airbus setzt AM-Lösungen in seiner Produktionslinie ein. Quelle: Airbus.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie strebt nach leichten Bauteilen, die ebenso leistungsfähig sind wie herkömmlich hergestellte Aluminiumkomponenten. Durch Gewichtsreduzierung (Leichtbau) können Flugzeuge schneller, weiter und mit geringerem Treibstoffverbrauch fliegen. Jede Gewichtsreduzierung um 500 kg bedeutet etwa 1 % weniger Treibstoffverbrauch und damit auch einen geringeren Kohlendioxidausstoß.

Die Beiträge von AM in der Luft- und Raumfahrt

Jede Idee für eine Innovation in der Luft- und Raumfahrtindustrie muss einen sehr sorgfältigen Bewertungsprozess durchlaufen, um zu prüfen, ob das neue Material oder die neue Technologie den zahlreichen und strengen FAA-Vorschriften für die Flug- und Flugzeugsicherheit entspricht, unabhängig davon, ob es sich um ein Verkehrs- oder ein Militärflugzeug handelt. Viele veraltete Flugzeuge haben Komponenten, die aus Materialien hergestellt wurden, die sich später als giftig herausstellten und ersetzt werden müssen, oder Materialien, die einfach nicht mehr hergestellt werden und neu entwickelt werden müssen.

Additive Fertigungsunternehmen bieten eine breite Palette von Filamenten an, die von der FAA aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit sowie ihrer chemischen und thermischen Beständigkeit ohne schädliche Nebenwirkungen zertifiziert sind. Beispiele für solche Materialien sind Filamente aus der PAEK-Familie, wie das Essentium PEI 9085 ULTEM Filament, Essentium PEEK oder Essentium PEKK. Diese Filamente können für fliegende Anwendungen verwendet werden. Das ULTEM PEI-Filament wurde für den 3D-Druck von Teilen für Beleuchtungssysteme, elektrische Schalter, Gehäuse und Lampenfassungen verwendet.

Bild 1. Eine Umweltkontrollleitung, die in einer Trägerrakete verwendet wird. Gedruckt mit dem Filament Essentium ULTEM 9085. Quelle: Essentium.

Das PEEK-Filament wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie als Ersatz für Triebwerksteile, Lager und Ventile aus Aluminium sowie für leichte Leitungen zur Isolierung und zum Schutz von optischen Kabeln und elektrischen Systemen im Inneren eines Flugzeugs verwendet.

Flexible und sofortige interne Wartung

Die Rolle des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrt hat das Stadium des reinen Prototypenbaus hinter sich gelassen, obwohl AM immer noch für diesen Zweck eingesetzt wird. Angesichts des Umfangs und der Kosten der Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind die herkömmlichen Methoden der Prototypenherstellung durch Spritzguss und CNC-Bearbeitung zeit- und ressourcenaufwändig. Der 3D-Druck eines Prototyps eines Flugzeugs oder eines Teils davon reduziert die Kosten für die Prototypenherstellung und -anpassung, Materialverschwendung und Verzögerungen erheblich und ermöglicht die Herstellung weitaus komplexerer Strukturen als die CNC-Bearbeitung.

Bild 2. Ein 3D-gedruckter Prototyp eines Flugzeugs. Quelle: Essentium.

Abgesehen von der Herstellung von Bauteilen für Satelliten (Antennen für Raumfahrzeuge), Drohnen und unbemannte Flugzeuge (Rotorblätter und Triebwerksteile) liegen die häufigsten AM-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie in der Produktion von Bodenteilen und unkritischen, nicht tragenden Bauteilen während des Flugs.

Da Flugzeuge eine recht teure Investition sind, haben alte Flugzeuge oft viel länger ausgedient als sie sollten. Die additive Fertigung ist die perfekte Technologie für kleine Wartungsarbeiten. Dabei geht es um den 3D-Druck von fehlenden oder beschädigten unwesentlichen Komponenten für das Innere des Flugzeugs, wie Becherhalter, Ablagen, Toilettendeckel, Luftkanäle, Instrumententafeln usw. Dank AM ist es möglich, ein Element selbst dann neu zu erstellen, wenn die Blaupausen fehlen, und zwar durch Reverse Engineering - das Teil wird gescannt, in einer Konstruktionssoftware bearbeitet und dann in 3D gedruckt.

Bild 3. In 3D gedruckte Turbinen. Quelle: Essentium.

Das Gleiche gilt für alle Arten von Werkzeugen, Vorrichtungen und Halterungen. In dieser Hinsicht sind Innovationen mit dem 3D-Druck viel einfacher umzusetzen, da die Bodenausrüstung von der FAA nicht so genau geprüft wird wie flugtaugliche Teile. Selbst wenn das ursprüngliche Werkzeug nicht mehr hergestellt wird, kann es nach Plänen oder durch Anpassung des Werkzeugdesigns auf der Grundlage der Schraube oder der Elemente, die es aufnehmen soll, in 3D gedruckt werden. Bei der herkömmlichen subtraktiven Fertigung wäre dieser Prozess sehr viel zeit- und materialaufwändiger. Um Werkzeuge, Vorrichtungen und Halterungen leicht, aber effizient zu machen, können mit Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Metall verstärkte Materialien verwendet werden. Das Ergebnis sind Teile, die bis zu 50 % leichter sind als Aluminium, aber eine hervorragende Festigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweisen. Einige hervorragende Filamente für diesen Zweck sind das Essentium HTN CF25-Filament, das PA CF-Filament oder das ABS MG94-Filament. Neben Festigkeit, Widerstandsfähigkeit und Leichtigkeit sollte ein auf die Luft- und Raumfahrtindustrie ausgerichtetes Filament auch Flammschutz und ESD-Sicherheit aufweisen. Die Produktions- und Wartungsbereiche sind Räume mit hohen Temperaturen, möglicherweise explosiven Materialien und statischer Aufladung - eine sehr gefährliche Kombination sowohl für die Ausrüstung als auch für die Mitarbeiter. Das Essentium TPU 90A FR Filament hat flammhemmende Eigenschaften, die das Risiko eines Brandes und dessen Ausbreitung deutlich minimieren. Das macht es perfekt für Werkzeuge, Vorrichtungen und Halterungen, die im Hangar oder rund um das Flugzeug verwendet werden.

Bild 4. Ein mit Essentium TPU 58D-AS hergestelltes Sicherheitsteil. Quelle: Essentium.

Das Essentium TPU 58D-AS hingegen ist ein Filament, das speziell für die Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt wurde, für die Herstellung von Teilen, die vor dem Flug entfernt werden sollen (daher die rote Farbe, um Aufmerksamkeit zu erregen). Das TPU 58D-AS verringert das Risiko elektrostatischer Entladungen, die eine Gefahr für Menschen und elektronische Bauteile darstellen, die unter anderem für das reibungslose Funktionieren der Navigationssysteme eines Flugzeugs äußerst wichtig sind.

Überwindung logistischer Grenzen

Die Instandhaltung von Flugzeugen in sicherem, flug- und einsatzbereitem Zustand ist sowohl in der zivilen als auch in der militärischen Luft- und Raumfahrtindustrie äußerst wichtig, sogar wichtiger als ständige Innovation. Die additive Fertigung findet in diesen Branchen gerade deshalb so viele Anwendungen, weil sie Passagierfluggesellschaften, Kurierdiensten und Armeen mehr Unabhängigkeit und Flexibilität bei der Wartung ihrer Flugzeuge ermöglicht.

Die Covid-19-Pandemie hat die Welt in vielerlei Hinsicht verändert. Die Luft- und Raumfahrtindustrie bildete da keine Ausnahme, da viele Lieferketten plötzlich für unvorhersehbare Zeiträume unterbrochen wurden. Die Abhängigkeit von Auftragnehmern und Lieferfirmen, eine Folge des traditionellen Fertigungsmodells, brachte die Produktion, Wartung und Auslieferung zum Erliegen. Viele kommerzielle Fluggesellschaften erlitten durch die Streichung von Flügen große finanzielle Verluste, und das bedeutete, dass sie nach neuen Wegen zur Kostensenkung suchen mussten. Die additive Fertigung kann die Antwort darauf sein.

Bei herkömmlicher Fertigung, z. B. mit CNC, würde die Herstellung eines ESD-sicheren Bauteils, eines korrosionsbeständigen Bauteils und eines Hochtemperaturbauteils höchstwahrscheinlich die Inanspruchnahme der teuren Dienste von drei verschiedenen Auftragnehmern, unterschiedliche und lange Wartezeiten (auch je nach Zulieferer des Auftragnehmers) und eine komplizierte oder im Falle von im Ausland stationierten Militärflugzeugen unmögliche Lieferung erfordern. 

Bild 5. Ein Beispiel für die iterative Fertigung. Quelle: Essentium.

Ein weiteres Problem ist, dass in der Luft- und Raumfahrtindustrie einmalige Werkzeuge oder Ersatzteile in begrenzter Stückzahl allgegenwärtig sind. Der Rückgriff auf Spritzguss oder CNC-Bearbeitung, um ein einzigartiges Werkzeug für eine einmalige Verwendung herzustellen, würde unnötige Kosten und unnötig lange Wartezeiten mit sich bringen. All dies kann mit dem 3D-Druck gelöst werden, da ein einziger 3D-Drucker vor Ort verwendet werden kann, um all diese Teile mit verschiedenen fortschrittlichen technischen Filamenten zu viel niedrigeren Kosten und mit einem geringeren Risiko von Verzögerungen herzustellen. Durch diese Art der Herstellung entfällt auch die Notwendigkeit, Ersatzteile auf der ganzen Welt zu lagern, um Wartungsarbeiten durchzuführen, da jedes benötigte Teil überall und zu jeder Zeit auf Abruf 3D-gedruckt werden kann. All diese kleinen Verbesserungen führen zu einer allgemeinen Vereinfachung und Verkürzung der Liefer- und Produktionskette in der Luft- und Raumfahrt, was wiederum die Kosten senkt und den ökologischen Fußabdruck, den Flugzeuge hinterlassen, ausgleicht.

Beispiele aus dem wirklichen Leben

Ein großartiges Beispiel für die Anwendung von AM-Technologien in der realen Luft- und Raumfahrt ist das Unternehmen Axle Box. Das Unternehmen entwickelte eine Drohnenplattform für SkyFire für seine Kunden aus der Forstwirtschaft und dem Brandschutz. Diese Elemente mussten den Bedingungen eines groß angelegten Feuerwehreinsatzes aus der Luft standhalten - Feuer, Wasser und Wind. Die Teile wurden zu den niedrigsten Kosten und mit den kürzesten Vorlaufzeiten im Vergleich zur Konkurrenz hergestellt. Der Mittelkörper der Drohne wurde mit dem Filament Essentium HTN CF25 und die Seitenabdeckungen mit dem Filament PA CF gedruckt. Beide Materialien übertrafen in Flugtests die Erwartungen und bewiesen hervorragende mechanische Eigenschaften und hohe Geschwindigkeit.

Video 2. Ein 3D-gedrucktes Teil für eine Drohnenlandeplattform von Axle Box. Quelle: Essentium.

Eine sehr häufige Fehlfunktion in Flugzeugen ist ein Hydraulikausfall, der meist auf das Gewicht des Flugzeugs und die Belastungen während des Flugs zurückzuführen ist. Die Reparatur eines Hydraulikschadens war früher sehr zeit- und personalaufwändig, da mehrere Techniker erforderlich waren, um die Fehlerquelle zu finden und das Ersatzteil während des Einbaus in Position zu halten. Diese Hydraulikausfälle traten so häufig auf und waren so kostspielig zu reparieren, dass ein großer Hersteller der Luft- und Raumfahrtindustrie beschloss, eine Halterung in 3D zu drucken, die das Ersatzteil an Ort und Stelle hält, ohne dass zusätzliches Personal zur Unterstützung des Prozesses benötigt wird.

Die Einführung der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt war eine bahnbrechende Entwicklung sowohl für AM als auch für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Für die Welt des 3D-Drucks war dies eine aufregende und transformierende Herausforderung, da in der Luft- und Raumfahrtindustrie eine Vielzahl spezieller Materialien mit fortschrittlichen Eigenschaften benötigt werden. Und für die Luft- und Raumfahrtindustrie war es ein wichtiger Schritt in Richtung größerer Designflexibilität, Kostensenkung und logistischer Unabhängigkeit, dank der beeindruckenden Geschwindigkeit, Skalierbarkeit und Iterationsmöglichkeiten, die der 3D-Druck bietet.