Höher hinaus dank Additiver Fertigung – 3D-Druck in der Luftfahrt

Auch wenn viele Menschen nur beim Flug in den Urlaub mit ihr in Berührung kommen, die Luftfahrt ist ein weitaus weitreichender und essenzieller Grundpfeiler unser aller Lebensrealität. Diese Branche bietet über 87 Millionen Arbeitsplätze, wird voraussichtlich über 40 Millionen Flüge und knapp 5 Milliarden Passagiere im Jahr 2024 in Bewegung setzen und einen besitzt jährlichen Umsatz von über 950 Milliarden US-Dollar – zum Vergleich, die Schweiz hat 2024 ein prognostiziertes BIP von 938 Milliarden.

Ob Reisen für die Arbeit oder in den Urlaub, Transport von Konsum- und Investitionsgütern, Notfallversorgung in Krisengebieten oder als Treiber für Innovation – die Luftfahrt ermöglicht die schnelle und effiziente Verbindung von Menschen und Märkten weltweit.

Aber auch solch eine substanzielle Rolle schützt nicht vor immer schärfer werdenden Regularien und Verbraucherwünschen was Umweltfreundlichkeit angeht, immer teurer werdenden Komponenten und Bauteilen sowie schwächelnden Lieferketten, durch welche die sowieso schon angespannten Preise nur noch mehr in die Höhe getrieben werden.

Solche Herausforderungen sind für die Luftfahrt jedoch nichts Neues. Immer wieder hat diese Industrie neue Innovationen hervorgebracht, um sich selbst weiterzuentwickeln, neue Anwendungsgebiete zu eröffnen und alten Ballast abzuwerfen – und für die derzeitigen Schwierigkeiten hat sich die Additive Fertigung als das Mittel der Wahl zur Innovation erwiesen.

In diesem Blogpost möchte ich einerseits Anwendungen vorstellen, bei denen der 3D-Druck in der Luftfahrt zum Einsatz kommt und andererseits die Vorteile dieser Technologie, durch welche sie sich als Innovationsgarant platzieren konnte, erläutern.

Anwendungen des 3D-Drucks in der Luftfahrt

Zunächst werde ich einige der wichtigsten Applikationsgebiete des 3D-Drucks nennen und dazu spezifische Beispiele liefern – begonnen mit dem originären Zweck des 3D-Drucks – dem Prototyping – bis hin zu Werkzeugen und Endverbrauchsteilen.

Prototyping

Wie in beinahe allen Industrien war das Prototyping das erste Anwendungsgebiet, in welchem der 3D-Druck in der Luftfahrt Einzug erhielt. Im Gegensatz zu vielen anderen Industrien, versuchte sich die Luftfahrt jedoch bereits sehr früh, ab dem Jahr 1989 um genau zu sein, daran, den Prototypingprozess mithilfe der Additiven Fertigung schneller und kosteneffizienter zu gestalten.

Diese Versuche gingen allerdings zunächst eher schleppend voran. Materialeinschränkungen und fehlende Fertigkeiten sorgten dafür, dass der 3D-Druck mehrere Jahrzehnte ausschließlich zum frühen Prototyping oder zur Designvalidierung von kleinen Bauteilen genutzt wurde, wodurch der erhoffte Effekt der erhöhten Geschwindigkeit und verringerten Kosten nur sehr spärlich zu spüren war.

Den Durchbruch für Rapid Prototyping brachte das US-amerikanische Unternehmen GE Aviation im Jahr 2012 mit einem 3D-gedruckten Prototypen einer Kraftstoffdüse für ihr LEAP-Triebwerk. Dieser funktionsfähige Prototyp fasste zwanzig, zuvor aufwändig einzeln produzierte Komponenten zusammen und konnte das Gewicht somit um 25 % senken. Hiermit wurde der gesamten Industrie demonstriert, dass die Additive Fertigung inzwischen ein Level erreicht hatte, mit der komplexe Bauteile mit geringem Gewicht schnell produziert werden können.

In den darauffolgenden Jahren war das Rapid Prototyping nicht mehr wegzudenken. Alle großen Hersteller von Flugzeugen – von Airbus über Boeing und Dassault bis zu Textron Aviation – begannen rasch ihre 3D-Druck-Kapazitäten hochzufahren, um nicht ins Hintertreffen zu geraten.

Bis zum heutigen Tage hat sich die Additive Fertigung in der Luftfahrt als das wichtigste Werkzeug im Prototyping hochgearbeitet. Inzwischen werden große wie kleine und komplexe wie simple Bauteile per 3D-Druck hergestellt, um sie intensiven Testungen zu unterziehen und falls nötig, schnell Änderungen durchführen zu können.

Der Durchbruch 2012 durch die LEAP-Kraftstoffdüse sorgte auf lange Sicht jedoch nicht nur für die massive Ausweitung der Additiven Fertigung innerhalb des Prototypings – auch die Nutzung bei Endverbrauchsteilen wurde nach diesem Durchbruch für möglich gehalten, und es sollte nur drei Jahre dauern, bis das erste 3D-gedruckte Bauteil in einem kommerziellen Flugzeug eingesetzt wurde.

Triebwerkkomponenten

2015 sorgte GE Aviation einmal mehr für einen Durchbruch für die Additive Fertigung in der Luftfahrt. Für das GE90-Triebwerk der Boeing 777 wurde ein Gehäuse für einen Temperatursensor am Verdichtereinlass per 3D-Druck produziert und von der FAA (Federal Aviation Administration) für die Luftfahrt zugelassen und durfte noch im selben Jahr seinen Jungfernflug erleben.

Nur ein Jahr später folgte die Zulassung der 2012 als Prototyp produzierten Kraftstoffdüse für das GE LEAP-Triebwerk. Diese, mit 19 dieser 3D-gedruckten Kraftstoffdüsen versehenen, Triebwerke werden inzwischen in verschiedenen Flugzeugen genutzt – unter anderem die Airbus A320neo-Familie, die Boeing 737 MAX und die COMAC C919.

Der Erfolg der Kraftstoffdüsen am LEAP-Triebwerk sorgten dafür, dass auch weitere GE-Triebwerke mit 3D-gedruckten Kraftstoffdüsen versorgt wurden – darunter insbesondere das GE9X-Triebwerk, welches speziell für höhere Treibstoffeffizienz entworfen wurde.

In eben diesem Triebwerk hat GE Aviation inzwischen auch eine Vielzahl weiterer 3D-gedruckter Komponenten hinzugefügt. Über 300 verschiedene Komponenten, darunter Niederdruckturbinenschaufeln, Temperatursensoren und weitere, wurden in diesem Triebwerk per Additiver Fertigung hergestellt und zeigen zweifellos auf, dass die Möglichkeiten der Additiven Fertigung inzwischen weit über Kraftstoffdüsen hinaus gehen – und auch weiter als Triebwerke.

Innenraumkomponenten

Neben Triebwerkskomponenten wird der 3D-Druck inzwischen auch für eine Vielzahl von innenliegenden Bauteilen – von klein wie Abdeckungen und Türverriegelungen bis groß wie Wandverkleidungen und Sitze – genutzt, insbesondere um Gewicht einzusparen.

Eines der ersten 3D-gedruckten Bauteile im Innenraum eines Flugzeugs wurde von Airbus in ihre A320-Familie integriert. Eine Trennwand, situiert zwischen Passagiersitzen und Bordküche, wirkt für Außenstehende erst einmal wenig aufmerksamkeitserregend, ist für die Bordcrew jedoch von größter Wichtigkeit, da diese die von der Crew bei Start und Landung benutzten „Jumpseats“ stützt.

Durch diese Stützfunktion muss diese Trennwand eine hohe Stabilität aufweisen, was bei herkömmlichen Fertigungsmethoden zu einem hohen Gewicht von ca. 66 Kilogramm geführt hat. Dank 3D-Druck konnte dieses Gewicht jedoch um 45 % reduziert werden, ohne dabei an Stabilität zu verlieren. Laut Hochrechnungen von Airbus können allein durch diese Gewichtsreduktion bis zu 465.000 Tonnen CO² jedes Jahr eingespart werden.

Ein weiteres spezifisches Beispiel liefert der Airbus A350 XWB, bei welchem über 1.000 verschiedene Bauteile und Komponenten 3D-gedruckt wurden. Diese mit Stratasys® FDM®-Drucklösungen und ULTEM™-Material hergestellten Komponenten beinhalten eine Vielzahl von innenliegenden Halterungen, Dichtungen, Gehäusen und vielem mehr.

Die Additive Fertigung kommt beim Airbus A350 XWB außerdem durchgängig für eine weitere essenzielle Anwendung in der Aviation zum Einsatz, bei der Geschwindigkeit von höchster Bedeutung ist – nämlich Ersatzteile.

Ersatzteile

Wie kaum eine andere Industrie kennt die Luftfahrt die Probleme, die selbst bei kleinsten Schäden entstehen können. Es reicht eine kleine fehlerhafte Komponente, um den Start eines gesamten Flugzeugs zu verhindern und somit der Fluggesellschaft massive Mengen an Verlust einzubringen.

Bei fehlender Lufttüchtigkeit, häufig Aircraft on Ground (AOG) genannt, aufgrund beispielsweise technischer Defekte, entstehen Fluggesellschaften Schäden von grob 150.000 US-Dollar – pro Stunde. Daher gilt es für Fluggesellschaften, potenzielle Schäden nicht nur zu antizipieren, sondern im Notfall auch schnell beheben zu können.

So setzen eine Vielzahl von Fluggesellschaften anstelle von überfüllten Lagern, die ebenfalls mit hohen Kosten einhergehen, auf den 3D-Druck als ideale Lösung für die schnelle On-Demand-Produktion von Ersatzteilen aller Art – ob kleine Bildschirmhalterungen wie bei Air New Zealand oder große Winglets wie bei Airbus.

Ersatzteile aus 3D-Druckern können außerdem die Lebensdauer alteingedienter Flugzeuge verlängern. Für viele solcher alten Flugzeuge werden bereits seit Jahren keine Ersatzteile mehr produziert, weswegen die Kosten für diese geradezu explodiert sind. Dank digitalem Modell und Additiver Fertigung können solche Ersatzteile jedoch kostensparend selbst produziert werden.

Egal ob Ersatz- oder Originalteile, beide müssen ihren Weg auch in oder an das Flugzeug finden, wofür zumeist hochspezialisierte und leistungsfähige Werkzeuge benötigt werden, was eine weitere perfekte Einsatzmöglichkeit für den 3D-Druck in der Luftfahrt darstellt.

Werkzeuge

Werkzeuge für die Herstellung von Flugzeugen sind neben ihrer Leistungsfähigkeit auch leider häufig für lange Vorlaufzeiten und hohe Kosten bekannt. Die Formen dieser Werkzeuge sind zumeist hochkomplex, die Materialauswahl sehr begrenzt und die Hersteller solcher Werkzeuge sehr rar, was Verzögerungen bei der Flugzeugherstellung leider zur Routine werden lässt.

Um diese Verzögerungen zu minimieren, setzen eine Vielzahl von Herstellern auf die On-Demand-Kapazitäten der Additiven Fertigung. Insbesondere Verbundwerkstoffe, beispielsweise carbonfaserverstärkte Filamente, kommen dabei zum Einsatz, da nur solche Materialien die hohen Anforderungen an Widerstandsfähigkeit und Festigkeit erfüllen können.

Ein praktisches Beispiel liefert Dassault Aviation, ein französischer Hersteller von Reisejets und Militärflugzeugen. Traditionell verwendete Dassault Formen aus faserverstärktem Kunststoff, hergestellt mit traditionellen Fertigungsmethoden, um Flugzeugstrukturen aus Verbundwerkstoffen herzustellen. Die Herstellung dieser Werkzeuge konnte sich jedoch monatelang hinziehen und waren mit enorm hohen Kosten verbunden.

Gemeinsam mit Stratasys® und deren ULTEM™ 1010 Filament konnte Dassault ihre Werkzeuge nicht nur schneller und kostengünstiger produzieren, sondern auch weitaus leichtgewichtiger gestalten, um die Handhabung zu vereinfachen und dank der hohen Hitze- und Belastungsbeständigkeit des Materials ist eine lange Lebensdauer garantiert.

Auch Lufthansa Technik unterstützt mit ihrem hauseigenen Additive Manufacturing Center Flugzeughersteller bei der Produktion von Werkzeugen. Mit über 30 verschiedenen Druckanlagen werden hier kleine, große, polymer- und metallbasierte Werkzeuge hergestellt, um die Vorlaufzeiten für diese zu beschleunigen und Flugzeugherstellern somit eine massiv verkürzte Time-to-Flight zu liefern.

Vorteile der Additiven Fertigung in der Luftfahrt

Nach all den benannten Anwendungen kommen wir nun zu den Gründen, warum die Additive Fertigung sich über die Jahre vom reinen Prototypingwerkzeug zur Allzwecklösung verwandelt hat.

Schnelle Designanpassung

Insbesondere in den frühen Phasen des Prototypings kommt es in der Luftfahrt zu einer sehr hohen Anzahl an verschiedenen Iterationen, um eine ideale Symbiose aus Widerstandsfähigkeit, Gewichtsoptimierung und Langlebigkeit zu liefern und zeitgleich Kosten und Materialverbrauch so niedrig wie möglich zu halten.

Hierbei liefert die Kombination aus schneller Druckgeschwindigkeit, geringem Materialausschuss und der einfachen Anpassung des digitalen Modells die perfekten Bedingungen, um Komponenten kostengünstig und zeitsparend zu produzieren. Somit werden Flugzeugherstellern schnellere Iterationszyklen und intensivere Testungen der einzelnen Bauteile ermöglicht, was auch die endgültige Sicherheit der Bauteile großflächig verbessert.

Aber auch außerhalb des Prototypenstadiums kann diese schnelle Designanpassung essenziell sein. Die Luftfahrtindustrie ist eine der am strengsten regulierten Branchen und diese Regularien befinden sich in einem stetigen Wandel. Dank 3D-Druck können Luftfahrthersteller weitaus schneller auf solche Änderungen reagieren, um die bereits angesprochenen Schäden bei AOG zu minimieren.

Erweiterte Bauteilkomplexität

Wenn es um Komplexität der Bauteile geht, ist die Additive Fertigung unschlagbar. Die freie Anpassung digitaler Modelle und der schichtweise Aufbau ermöglichen Anwendern selbst komplexeste innenliegende Strukturen mit Leichtigkeit zu produzieren.

Diese erhöhte Designfreiheit bietet gleich zwei Vorteile für die Luftfahrt. Einerseits lassen sich somit mehrere zuvor einzelne Bauteile in ein einzelnes Bauteil integrieren, so wie beispielsweise bei den angesprochenen LEAP-Kraftstoffdüsen von GE Aviation, was eine massive Zeitreduktion für Luftfahrthersteller bedeutet.

Andererseits ist diese erweiterte Komplexität für das allgegenwärtige Ziel der klimafreundlicheren Luftfahrt eine einzigartige Stütze. Wie das vorherige Beispiel der Trennwand von Airbus eindrucksvoll beweist, können selbst einzelne Bauteile massive Auswirkungen auf die CO²-Emissionen haben und umso mehr solcher Komponenten mit Additiver Fertigung hergestellt werden, desto näher können wir dem Ziel des umweltfreundlichen Fliegens kommen.

Maximierte Produktionsflexibilität

Neben stetigen Änderungen Regularien kämpft die Luftfahrt auch mit zeitweise großen Produktionsschwankungen. Angeschlagene Lieferketten, ein destruktiver Fachkräftemangel und eine Vielzahl unvorhergesehener Ereignisse innerhalb der letzten Jahre sorgen dafür, dass ausgelieferte Flugzeuge weit unter den Bestellungen liegen. So konnten beispielsweise zwischen 2020 und 2023 nur 38 % der bestellten Boeing 777 ausgeliefert werden und auch bei Ersatzteilen oder Werkzeugen sind diese Probleme ähnlich schwerwiegend.

Die Möglichkeit, eine Vielzahl von Flugzeugkomponenten schnell On-Demand und im eigenen Haus dank 3D-Druck herzustellen, haben daher spätestens seit der Covid-Pandemie immer mehr Einzug in die Luftfahrtproduktion erhalten – insbesondere, um Notlagen schnell entschärfen zu können.

In Zukunft könnte auch der 3D-Druck direkt im Flugzeug eine Lösung für Notfälle werden. Letztes Jahr wurde der erste 3D-Drucker in der Luft vom Center for Additive Manufacturing Research and Innovation (CAMRE) für das US Marine Corp getestet und konnte diesen Jungfernflug mit vollem Erfolg abschließen. Ob sich dies für kommerzielle Flugzeuge ebenfalls durchsetzen kann, kann nur die Zukunft zeigen – aber die potenziellen Vorteile sind nicht von der Hand zu weisen.

Beschleunigte Forschung

Zu guter Letzt sollten auch die Vorteile des 3D-Drucks für die Zukunft in diesem Blogpost Erwähnung finden. Die gesamten bereits genannten Vorteile der Additiven Fertigung spielen nämlich geradezu meisterhaft zusammen, um eine ideale Grundlage für die Forschungsarbeit innerhalb der Luftfahrt zu legen.

Ein exzellentes Beispiel hierfür ist das AMPHEA-Projekt der Technischen Universität München, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wurde (Förderkennzeichen 20Q1955A). In diesem Projekt wird sich aktiv mit der Entwicklung des ersten additiv gefertigten Wärmetauschers in Flugzeugen auseinandergesetzt, um insbesondere die dezentrale Fertigung dieser essenziellen Komponenten in Zukunft zu ermöglichen.

Auch die US Army nutzt den 3D-Druck aktiv für die Forschung, so beispielsweise im Improved Turbine Engine Program. Bei diesem Programm wurde, bei welchem ein Ersatz für das GE 700-Triebwerkes gesucht wurde, die Additive Fertigung von Beginn an integriert und dessen Hilfe führte zum GE T901-Triebwerk, welches mit verbesserter Treibstoffeffizienz, Leistung und Haltbarkeit glänzt.

Fazit

Die Additive Fertigung hat sich in den letzten Jahren, nach langen Schwierigkeiten, dank der großen Entwicklung rund um Drucklösungen, Technologien und Materialien in der Luftfahrt durchsetzen können und bietet nun einer Vielzahl von Herstellern und Luftfahrtgesellschaften mehr Möglichkeiten und schnellere Reaktionszeiten.

Das Ende dieser Entwicklung ist dabei noch lange nicht in Sicht. Mit immer neueren Optionen wird der 3D-Druck seine bereits jetzt eindrucksvolle Applikationsvielfalt immer mehr erweitern können und somit in Zukunft einen noch größeren Beitrag zu Umweltschutz, geringeren Vorlaufzeiten und kostengünstigerer Produktion haben.

Wenn Sie immer auf dem neuesten Stand über die Additive Fertigung in der Luftfahrt bleiben wollen, schauen Sie gerne öfter hier auf diesem Blog vorbei oder abonnieren Sie unseren Newsletter, um neueste Entwicklungen schnellstmöglich zu erhalten.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit – und bis zum nächsten Blogpost!