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Montag, 22. Januar 2018

EMO 2017

Fertiger gehen im Leichtbau neue Wege

Von Rolf Müller-Wondorf | 28. September 2017 | Ausgabe 39

Additive Fertigungsverfahren machen den modernen Flugzeugbau noch effizienter.

EMO Leicht-BU
Foto: Rainer Jensen/Deutsche Messe

Im Trend: Die Werkzeugmaschinenbauer haben die Luft- und Raumfahrt als Absatzmarkt für ihre Produkte entdeckt und entwickeln zunehmend branchenspezifische Lösungen.

Faserverstärkte Kunststoffe, Aluminium und Titan sind die Materialien, die Luft- und Raumfahrzeuge zu Leichtgewichten machen. Andererseits stellt laut Oliver Bub gerade die Verarbeitung dieser Werkstoffe die Werkzeugmaschinenindustrie vor neue Herausforderungen. „Für die kontinuierliche Verbesserung von komplexen Bauteilen und Produktionsverfahren im Bereich der Luft- und Raumfahrt ist es unerlässlich, dass die einzelnen Technologiemodule, die sich entlang der gesamten Wertschöpfungskette befinden, eng zusammenarbeiten und sich ergänzen“, betont der Geschäftsstellenleiter des Machining Innovations Network (MIN), deren Mitglieder sich auf einem Gemeinschaftsstand während der EMO in Hannover präsentierten.

Insgesamt werden nach Angaben des Vereins Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken (VDW) 4,1 % aller Werkzeugmaschinen an Abnehmer aus der Luft- und Raumfahrt verkauft. Legt man den Wert auf die gesamte Produktion von Werkzeugmaschinen in Deutschland um (2015: rund 11.2 Mrd. € – komplette Maschinen, ohne Teile), so ergibt sich ein Anteil von 460 Mio. €. „In den vergangenen Jahren ist – bezogen auf diesen Marktanteil – ein klarer Trend nach oben zu erkennen. Denn 2013 lag der Marktanteil noch bei 3,6 %, im Jahr 2011 sogar bei nur 2,5 %. Ein Grund hierfür könnte in der zunehmenden Bedeutung der additiven Verfahren in der Luft- und Raumfahrt liegen, teilt der VDW auf Nachfrage mit.

Foto: Marc Winkel-Blackmore

Effizient gedruckt: Die additiv gefertigte Grundplatte des Einspritzkopfs eines Raketentriebwerks mit 122 integrierten Einspritzelementen.

Diese Einschätzung deckt sich mit den Prognosen von Thilo Grove. Der Bereichsleiter Fertigungsverfahren am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW), Hannover, geht davon aus, dass die Zahl der Flugzeuge in den kommenden Jahren kontinuierlich steigen wird. „Gleichzeitig entwickelt sich die Luft- und Raumfahrt zunehmend zum Innovationstreiber. Sie fordert flexible, funktionsintegrierte und hochfeste Bauteile, die sich in einer automatisierten Fertigungskette effizient produzieren lassen“, sagt der Wissenschaftler. Bereits heute bestünden rund 50 % der Gesamtmasse eines modernen Langstreckenjets – wie etwa beim A350 – aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK). Dies wiederum habe Folgen für die metallischen Bauteile, da das Zusammenführen der klassischen Luftfahrtmaterialien Aluminium und FVK zu Kontaktkorrosion führen kann. Grove: „Wir müssen also korrosionsresistentere Materialien wie zum Beispiel Titanlegierungen einsetzen, die sich allerdings viel schlechter zerspanen lassen als Aluminium. Die additive Fertigung bietet sich hier als eine zielführende Fertigungstechnologie an.“

Tatsächlich steckt diese Technologie innerhalb der Luft- und Raumfahrt noch in den Kinderschuhen. Erst vor wenigen Wochen erfolgte der Erstflug einer 3-D-gedruckten Komponente der Flugsteuerung von Liebherr-Aerospace in einem Airbus. Es handelt sich dabei um eine Hydraulikkomponente der primären Flugsteuerung. Der aus Titanpulver gefertigte Ventilblock ist Bestandteil des Spoileraktuators, der beispielsweise im Airbus A380 zum Einsatz kommt. Er ist laut Hersteller genauso leistungsfähig wie ein herkömmlicher, aus einem Titanschmiedeteil hergestellter Ventilblock, besteht aber aus weniger Einzelteilen und ist um 35 % leichter.

Heiko Lütjens, Managing Director und CTO Flight Control and Actuation Systems, Landing Gear Systems and Hydraulics bei Liebherr-Aerospace & Transportation SAS, erklärt in diesem Zusammenhang: „Bis wir 3-D-Druckverfahren im großen Maßstab in der Luftfahrtindustrie einführen können, haben wir noch einiges an Arbeit vor uns. Alle Glieder der Prozesskette – vom Pulvermaterial über die Laserparameter und die Nachbearbeitung bis hin zum Endprodukt – müssen optimiert werden, um die Stabilität, den Reifegrad und die Wirtschaftlichkeit dieser Technologie zu optimieren. Nichtsdestotrotz wird das Potenzial und die Vision des 3-D-Drucks die Art und Weise, wie zukünftige Flugzeuggenerationen entwickelt werden, tiefgreifend verändern.“

Was additive Fertigungsverfahren für die Luft- und Raumfahrt leisten können, zeigte zum Beispiel die EOS GmbH in Hannover. Der ausgestellte und im 3-D-Druck gefertigte Einspritzkopf eines Raketentriebwerks für das Ariane-6-Oberstufentriebwerk Vinci besteht konventionell hergestellt aus 248 Bauteilen, die in verschiedenen Fertigungsschritten produziert und montiert werden. Im Bereich der Einspritzelemente werden über 8000 Querbohrungen in Kupferhülsen gebohrt, die anschließend mit den 122 Einspritzelementen präzise verschraubt werden, um den durchströmenden Wasserstoff mit dem Sauerstoff im Element zu vermischen. Der Weg zur effizienten Fertigung dieses Bauteils führt über den 3-D-Druck, wie Steffen Beyer weiß. „Allein die additive Fertigung kann Funktionsintegration, Leichtbau, Designvereinfachung und die Reduzierung der Durchlaufzeiten in einem einzigen Bauteil zusammenbringen“, erklärt der Leiter Produktionstechnologie – Werkstoffe & Prozesse bei ArianeGroup den Entschluss für den industriellen 3-D-Druck. In einem stufenweisen Prozess wurde die Fertigung zunächst auf der EOS M 290 durchgeführt. Später erfolgte die Skalierung auf das größere System EOS M 400–4. Mittels der 4-Laser-Technologie konnte das Triebwerksteil so in bis zu vierfacher Geschwindigkeit hergestellt werden.

Durch die höhere Produktivität im Vergleich zu Singlelasersystemen konnte die Bauzeit des AiO-Einspritzkopfs um den Faktor 3 und die Kosten um 50 % reduziert werden. Durch die Vereinfachung des Designs und dank der verbesserten Werkstoffeigenschaften im Vergleich zur Gussqualität wurde zudem die Wandstärke deutlich verringert – und das bei gleichbleibender Robustheit. Eine Reduktion um 25 % in puncto Gewicht bedeutet auch eine Reduktion der Aufbauzeit und natürlich Kosten.

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