COMPASS MAGAZINE #10
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ADDITIVE FERTIGUNG Geschäftliche Herausforderungen treiben Weiterentwicklung des 3D-Drucks in Luftfahrtindustrie

Die additive Fertigung – der Bau von massiven Objekten durch schichtweises Auftragen von Material – eignet sich gut für kleine Volumina, komplexe Designs und belastbare aber leichte Strukturen und ist daher für die Luftfahrtindustrie prädestiniert. Für eine breite Akzeptanz müssen jedoch zunächst die Herausforderungen gemeistert werden, die den Einsatz von additiver Fertigung einschränken.

Additive Fertigung (AM) bzw. 3D-Druck hat die Prototyp-Phase hinter sich gelassen. Heute verwenden Luftfahrtunternehmen AM, um die Funktionalität existierender Komponenten zu verbessern und nicht strukturtragende Teile für die kommerzielle und allgemeine Luftfahrt zu fertigen.

AM-Enthusiasten sehen dem Tag entgegen, wenn komplette Flugzeugrümpfe, Tragflächen und kritische Motorenteile mit komplexen Geometrien – einschließlich integrierter Sensoren und anderer elektronischer Bauteile – mit diesem revolutionären Verfahren „gedruckt“ werden. Laut dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL), einer Forschungseinrichtung des US-Energieministeriums in Tennessee, kann sich diese bahnbrechende Vision nur dann erfüllen, wenn AM einige schwierige Hürden überwindet.

„In einigen Anwendungsgebieten – z.B. beim Rapid Prototyping oder bei spezifischen Medizinprodukten, wo bereits viele Komponenten gedruckt wurden – ist die additive Fertigung ziemlich ausgereift, doch für die meisten Bereiche befindet sie sich im Embryonalstadium“, sagt Bill Peter, Direktor der Manufacturing Demonstration Facility von ORNL.

QUALITÄTSSICHERUNG

Jedes Jahr empfängt ORNL über 5.000 Besucher von ungefähr 700 Organisationen, die über die additive Fertigung und andere Technologien diskutieren möchten. Diese Besucher betonen, so Peter, wie wichtig es sei, in der additiven Fertigung Qualitätsniveaus zu erreichen, die genauso viel Vertrauen vermitteln wie die der herkömmlichen Herstellung, insbesondere bei Teilen, die für die Leistungen und Sicherheit des Endprodukts entscheidend sind.

„Die größte Sorge ist, dass es keine Methoden gibt, mit denen die Integrität additiv hergestellter Komponenten ermittelt werden kann“, ergänzt er.

„In einigen Anwendungsgebieten – z.B. beim Rapid Prototyping oder bei spezifischen Medizinprodukten, wo bereits viele Komponenten gedruckt wurden – ist die additive Fertigung ziemlich ausgereift, doch für die meisten Bereiche befindet sie sich im Embryonalstadium.“

Bill Peter Direktor der Manufacturing Demonstration Facility, ORNL

Schon kleine Änderungen der Prozessparameter können die Mikrostrukturen des aufgetragenen Materials – z.B. Titanund Nickelpulver – beeinflussen und die Eigenschaften des Endprodukts drastisch ändern, so Peter.

„Auf lange Sicht“, fügt er hinzu, „werden wir Datenanalyse- und Visualisierungssysteme einsetzen, um die serienmäßige Fertigung komplexer Teile mit den in der Luftfahrt erforderlichen Qualitätsniveaus zu ermöglichen. Allerdings sind wir noch einige Jahre von einer vollständigen Lösung entfernt.“

GESCHWINDIGKEIT IST GEFRAGT

Eine weitere Hürde ist die Geschwindigkeit, mit der das Ausgangsmaterial zum Drucken eines Teils aufgetragen werden kann.

Der AM-Prozess beginnt mit einem dreidimensionalen Computerdesign des Teils. Die Designdatei wird in den Computer der additiven Fertigungsmaschine heruntergeladen und elektronisch in sehr dünne Schichten zerlegt („Slicing“). Die Maschine trägt dann eine erste, dünne, gleichmäßige Metallschicht auf das Druckbett auf. Anschließend wird ein computergesteuerter Laser oder eine andere Energiequelle über die dünne Metallschicht geführt, die auf diese Weise gesintert und geschmolzen wird; der Pfad des Lasers entspricht dabei den Daten der ersten Schicht des ursprünglichem 3D-Designs. Dieser Prozess wird für jede Schicht wiederholt, bis das gesamte Teil hergestellt worden ist, was insgesamt länger dauern kann als traditionelle Fertigungsmethoden.

Und das ist problematisch, da Hersteller immer an einer Verkürzung der Fertigungszyklen interessiert sind. „Verbesserungen bei den Auftragungsgeschwindigkeiten werden die Rentabilität der additiven Fertigung von Komponenten für die Luftfahrt und andere Industrien erhöhen“, so Peter.

Der Fortschritt der letzten beiden Jahre ermutigt die Forscher jedoch. In einer Zusammenarbeit zwischen ORNL und Cincinnati Incorporated, einem US-amerikanischen Auftragshersteller für Werkzeugmaschinen, konnte ein äußerst innovatives AM-System entwickelt werden. Dieses druckt bis zu 10-mal größere Komponenten aus faserverstärkten Polymerverbundstoffen bis zu 1.000-mal schneller: Die Materialauftragung erfolgt dabei mit einer Geschwindigkeit von 16.000 cm3/h statt mit 16 bis 65 cm3/h bei AM-Altanlagen. Das Team möchte, so Peters, die bei der Arbeit mit Polymer gewonnenen Erkenntnisse jetzt einsetzen, um das Auftragen von Metallpulver ähnlich zu beschleunigen.

EINE VERTRAUTE REISE

Kevin Michaels ist Vice President des Bereichs Luftfahrt/MRO bei ICF International, einer global anerkannten Autorität auf dem Gebiet der Luftfahrtfertigung. AM entwickle sich weiter und die Industrie solle ihre Lehre aus den Erfahrungen mit anderen transformativen Technologien insbesondere Verbundwerkstoffen ziehen, so Michaels.

„Das Innovationstempo wird insgesamt immer schneller. Das liegt hauptsächlich daran, dass viele etablierte Unternehmer die Gefahren von Trägheit erkannt haben.“

Antoine Gelain AEROSPACE INDUSTRY PRACTICE LEADER, CANDESIC

In den 1970er Jahren wurden Verbundwerkstoffe für ihre Stärke und Korrosionsbeständigkeit allgemein gepriesen, dennoch dauerte es Jahrzehnte, diese zu perfektionieren. Wenige haben damals eine Zukunft kommen sehen, in der gesamte Flugzeugrümpfe aus Verbundwerkstoffen gefertigt werden können, wie es heute der Fall ist.

„In Zukunft wird die additive Fertigung ähnliche Überraschungen bringen, die rückblickend logisch erscheinen werden, aber heute schwer vorhersagbar sind“, sagt Michaels.

Der Vergleich der Entwicklung der Verbundwerkstoffe mit der additiven Fertigung sei lehrreich, sagt Antoine Gelain, Geschäftsführer der unabhängigen Private-Equity-Firma Paragon European Partners und Leiter des Bereichs Luftfahrtindustrie bei Candesic, einer Strategie-und Managementberatungsfirma, beide mit Firmensitz in London.

„Die Analogie zeigt, dass es eine riesengroße Lücke zwischen der Eignung einer Technologie für bestimmte Zwecke und der Marktfähigkeit gibt, und dass es Jahre dauert, um diese Lücke zu schließen“, sagt er.

Genau wie AM mussten die Verbundwerkstoffe zuerst das Vertrauen der Hersteller gewinnen. „Die Eignung von Verbundwerkstoffen für Flugzeugstrukturen wurde früh erkannt. Die völlig neuen Zertifizierungs- und Fertigungsprozesse bedeuteten jedoch, dass es lange dauerte, bis Kunden von der Umstellung auf die Fertigung mit Verbundwerkstoffen überzeugt werden konnten, und das Geschäftsmodell lebensfähig wurde“, so Gelain. „Die additive Fertigung wird sich allerdings wahrscheinlich sehr viel schneller entwickeln, da transformative Technologien im digitalen Zeitalter schneller angepasst werden können.“

Letztendlich, sagt er, werden geschäftliche Herausforderungen den Fortschritt der AM antreiben.

„Das Innovationstempo wird insgesamt immer schneller. Das liegt hauptsächlich daran, dass viele etablierte Unternehmer die Gefahren von Trägheit erkannt haben und heutzutage eher bereit sind, Risiken einzugehen und Geld in bahnbrechende Technologien zu investieren als früher.“

von Tony Velocci Zurück zum Seitenbeginn
von Tony Velocci

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