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"3D-Druck" von Flugzeugteilen

Entwicklung

 

Ein in den letzten Jahren stetig weiterentwickeltes Verfahren für die Herstellung von Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt, sowie auch in anderen Bereichen ist der 3D-Druck, auch additive oder generative Fertigung genannt. Zur Anwendung können verschiedene Kunststoffe, Kunstharze und Metalllegierungen kommen. Diese Stoffe liegen zur Verarbeitung fest, flüssig oder pulverförmig vor. Mit 3D-Druckern werden aus ihnen dann die Bauteile hergestellt. Der 3D-Druck ist somit kein Drucken im herkömmlichen Sinn, sondern im Grundprinzip ähnelt es eher den Schweiß-, Schmelz- und Spritzgussverfahren.

 

Erfunden wurden die grundlegenden Techniken für den 3D-Druck im Jahr 1983 von dem US-Amerikaner Charles Hull. Im Jahr 1984 brachte er den weltweit ersten 3D-Drucker für Kunststoffe zur Serienreife. Die Teile wurden aus flüssigen Photopolymere durch UV-Bestrahlung Schicht für Schicht ausgehärtet. Als Schnittstelle zum Computer entwickelte er die Stereolithografie, eine Standardschnittstelle auch heute noch benutzter CAD-Systeme.

 

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Fertigungsverfahren, bei denen das Rohmaterial durch Bohren, Drehen, Fräsen und Funkenerodieren oder CNC-Maschinen bearbeitet wird, um ein Bauteil zu erzeugen, entsteht bei der additiven Fertigung das Bauteil durch Hinzufügen, Auftragen und Ablagern von Material. Es entsteht somit durch den Aufbau sehr dünne Schichten. Die Materialersparnis zu den herkömmlich hergestellten Bauteilen kann bis zu 90 % betragen. Der Druck erfolgt auf der Grundlage von CAD-3D-Modellen.

Wurde beispielsweise während der Wartung eines Flugzeuges ein beschädigtes rotationssymmetrisches Bauteil aus Kunststoff festgestellt, erfolgt in der Regel dessen Austausch. Ist aber das Bauteil nicht im Lager vorhanden und kann auch nicht schnell beschafft werden, so kann eine Neuanfertigung durch 3D-Druck erfolgen.

 

Hierzu müssen zuerst die erforderlichen Fertigungsdaten erstellt werden. So muss aus der Bauteilspezifikation die genaue Zusammensetzung des Kunststoffes bestimmt werden, aus dem das beschädigte Bauteil ursprünglich gerfertigt wurde.

 

Mit der entsprechenden Konstruktionssoftware wird dann das CAD-3D-Modell des rotationssymmetrischen Teiles erstellt. Anschließend erfolgen die Umsetzung des 3D-Modells in das STL-Format (Stereolithhografie) und der Export in die "Slicing-Software". Hier werden dann alle Parameter zur Fertigung wie Schichtdicke, Arbeitstemperatur etc. bestimmt. Nachdem diese Parameter in den 3D-Drucker geladen sind, wird nun auch der Drucker selbst eingerichtet.

 

Das zur Herstellung des Bauteiles erforderliche Kunstharz wird hierzu in einer dünnen Schicht von 0,1 mm aufgetragen und mit einer Rakel geglättet. Danach erfolgt an den vorgegebenen Positionen die Bestrahlung mit einer UV-Laserstrahlquelle bis das Kunstharz ausgehärtet ist.

 

Nach Aushärtung der ersten Schicht wird das Druckbett abgesenkt und neues Kunstharz für die zweite Schicht aufgetragen und mit dem Laser bestrahlt. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis mit der letzten Schicht das Bauteil erstellt worden ist.

 

Nachdem das Bauteil im 3D-Druck fertiggestellt wurde, wird noch anhaftendes loses Kunstharz entfernt. Danach wird das Bauteil nochmals zur vollständigen Aushärtung mit einer UV-Laserquelle bestrahlt.

Auswahl von gedruckten Bauteilen

Anwendungsbereiche

 

Die schnelle und kostengünstige Herstellung von Einzelprodukten ist das Markenzeichen von 3D-Druckern. In der Anfangszeit dienten 3D-Drucker überwiegend zur Herstellung von Prototypen und Modellen. Nun werden auch Bauteile hergestellt, die nur in geringer Stückzahl erforderlich sind.

 

Für die Luft- und Raumfahrt zeichnet sich zukünftig ein großes Einsatzgebiet ab. Langfristig gesehen könnte sich sogar gegenüber den heute im Flugzeugbau eingesetzten Verbundwerkstoffen ein günstigeres Masse-Leistungsverhältnis der Flugzeuge durch den 3D-Druck ergeben.

 

Außer der Anwendung in der Luft- und Raumfahrt kommt für den 3D-Druck ein breites Anwendungsgebiet für viele Bereiche hinzu. So werden in der Medizintechnik hochwertige Prothesen hergestellt. Auch komplette Autokarosserien, sowie ganze Häuser können gefertigt werden.

 

Bionische Auslegung (vorderes Teil)

Konstruktionsprinzip

 

Vorteilhaft ist auch, dass der 3D-Druck auch eine industrielle Herstellung bionischer Strukturen ermöglicht. Das bedeutet, dass die Konstruktion von Strukturen teilweise auf biologischen Entwicklungen basiert, die im Verlauf einer Jahrmillionen dauernden Evolution in der Natur entstanden sind. Ein Beispiel unter vielen anderen war die Konstruktion des Monogleiters von Otto Lilienthal, der das Flugverhalten von Störchen in seine Konstruktion mit einbrachte.

 

Auch bei den verschiedenen Flugzeugherstellern schreiten die Entwicklung und der Einsatz bionischer Bauteile im 3D-Druck stetig voran. So hat Airbus im Jahre 2014 eine bionisch ausgelegte Halterung für ein Gestänge entwickelt und schon im Fluge erbrobt. Hierbei wurden die Vorgaben für Funktion und Festigkeit wie bei der Originalhalterung voll erreicht. Weiterhin ergaben sich weitere Vorteile durch mehr Flexibilität in der Herstellung, weniger Energieverbrauch im Flugbetrieb und ein geringeres Gewicht durch weniger Materialverbrauch in der Herstellung.

 

Laser- und Elektronenstrahlschmelzen

3D-Druck Verfahren

 

In den vergangenen Jahren sind eine große Anzahl verschiedener 3D-Druck Verfahren entstanden. Ein Ende dieser Entwicklung ist noch nicht absehbar. Für metallische Teile erfolgt der 3D-Druck durch Laser- und Elektronenstrahlschmelzen. Das Metall muss hierfür in Pulverform vorliegen und wird dann schichtweise verschweißt. Auch die Herstellung von Teilen aus Aluminium-, Stahl-, Titan- und Kobalt-Nickel-Legierungen kann auf diese Art erfolgen. Für die Herstellung von Kunststoffteilen, wie beispielsweise aus Polycarbonate, kommt vorwiegend das Lasersintern zur Anwendung. Das Ausgangsmaterial liegt hierzu in pulverförmigen Zustand vor. Durch die Bestrahlung mit dem Laser wird das Pulver bis kurz vor den Schmelzpunkt erhitzt. Dadurch verbinden sich die einzelnen Kunststoffkügelchen zu einer sinterartigen Struktur. Um die Belastbarkeit des Teiles zu erhöhen, wird die mehr oder weniger poröse Werkstückoberfläche mit einem Füllstoff verschlossen.

Nacelle hinge bracket

Der Ausgangsstoff für die Herstellung von Titanteilen ist in der Regel Titanpulver. So werden für den Airbus A320 bionisch ausgelegte "nacelle hinge brackets" aus Titanpulver gefertigt. Die im nebenstehenden Bild gezeigte vordere Abbildung ist das im 3D-Druck hergestellte Titanbauteil, wogegen die hintere Abbildung eine herkömmliche Ausführung in Stahl zeigt, hergestelltr durch spanende Fertigung. Ausgangsmaterial für das neue Titanbauteil  ist Pulver in der Titanlegierung Ti6Al4V das in einem DMLS-Prozess (Direct Metal Laser-Sintering) in Schichten aufgebaut wird. Bei den im 3D-Druck hergestellten Bauteil liegt die gleiche Festigkeit des ursprünglich verwendeten Stahlbauteiles vor. Hauptvorteil ist außer der kostensparenden Fertigung auch die Gewichtsersparnis von bis zu 60 % pro Bauteil.

 

3D-Drucker für Flugzeugteile (Aerosud)

3D-Drucker

 

Hauptaufgabe der 3D-Drucker ist es, auf schnellem Wege 3D-Zeichnungen aus CAD-Programme in 3D-Teile zu verwandeln. Für den Flugzeugbau stellt beispielsweise die südafrikanische Firma "Aerosud" 3D-Drucker her, die Bauteile bis zu zwei Meter Länge produzieren können.

 

Hauptsächlich sollen hiermit Bauteile aus der Titanlegierung Ti6Al4V durch Laserschmelzen hergestellt werden. Während des Fertigungsprozesses wird der Drucker mit Schutzgas beaufschlagt, um keinen Sauerstoff an das anzufertigende Bauteil gelangen zu lassen.

 

Marktentwicklung

 

Nach US-amerikanischen Untersuchungen hatte der 3D-Druck in den vergangenen drei Jahren einen Marktzuwachs von weltweit über 30 %. Vor allem in China und in den USA wird diese Entwicklung intensiv vorangetrieben.

 

Werden metallische Bauteile konventionell hergestellt, so sind in der Regel viele unterschiedliche Einzelteile erforderlich. Die Fertigung der Bauteile erfolgt dann durch Vernietung, Verschraubung oder Verschweißung der Einzelteile. Für diese Prozesse kommen oft teure Werkzeuge, Vorrichtungen und Verfahren zum Einsatz. Um die Fertigung durchführen zu können, sind auch gut ausgebildetes Luftfahrtindustriepersonal nötig. Bei Einsatz der additiven Fertigung können bis zu 90 % dieser Ressourcen eingespart werden. Auch die Produktionsschritte lassen sich bis zu 50 % reduzieren, da bei der additiven Fertigung fast endkontournahe Bauteile entstehen.

 

Auch für die Logistik werden durch die additive Fertigung langfristig Änderungen eintreten. So wird in Zukunft ein Rückgang des Transportvolumens von Bauteilen und Fertigprodukten stattfinden. Die Produktion wird sich bedarfsgerichtet näher an den Endkunden verlagern. Dadurch lassen sich die Bestände minimieren, was wiederum die Kosten der Lagerhaltung senkt. Viele Betriebe werden Teile für ihren Bedarf selbst herstellen und somit globale Vergaben reduzieren.

 

Qualität der Teile

 

Die Qualität der fertigen Oberfläche der Teile ist mit dem des herkömmlichen Sandguss vergleichbar. Die im 3D-Druck hergestellten Teile weisen keine Probleme in der Festigkeit auf. So können Bauteile hergestellt werden, die den im Flugbetrieb auftretenden hochdynamischen Belastungen wiederstehen. Die Abläufe zur Herstellung der Teile sind zertifiziert und besitzen die Freigabe der jeweiligen Flugzeughersteller und Luftfahrtbehörden. Die Härte der Teile entspricht der von einem geschmiedeten Teil.

 

Fazit

 

Für die zivile und militärische Luftfahrtindustrie bedeutet der 3D-Druck, dass zukünftig viele Bau- und Ersatzteile in Einzel- und Serienproduktion in eigener Regie hergestellt werden können. Durch den immer größer werdenden Einsatz des 3D-Drucks werden stetig wachsende Einsparpotenziale erzielt werden. Große komplexe Bauteile weisen weniger Masse auf, da auf Verbindungselemente und Versteifungen verzichtet werden kann. Die Gesamtmasse des Flugzeuges wird demnach reduziert, was die Wirtschaftlichkeit optimiert.

 

Für die Behebung von Schäden in diesen Bauteilen und Strukturen, ganz gleich aus welchen Werkstoffen sie gefertigt wurden, sind Probleme vorgezeichnet. Bei aufgetretenen Schäden ist ein Austausch dieser Einzelteile oder auch ganzer Module meistens vorgegeben.