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CONCEPT Laser GmbH
  • Additiv gefertigtes Demobauteil Luftfahrtindustrie
    LaserCUSING®
    Source: Nanyang Polytechnic
  • 3D-Metalldruck Demo Lutfahrtindustrie
    LaserCUSING®
    Source: Materials Solutions Ltd.
  • X line Leichtbau Getriebebauteil Luftfahrtindustrie
    LaserCUSING®
    Source: Poly-Shape
  • Topologioptimierte Rohrbrennkammer Luftfahrtindustrie
    LaserCUSING®
    Source: Concept Laser GmbH
  • Demo Flügel Leichtbau 3D-Metalldruck
    LaserCUSING®
    Source: RSC Engineering GmbH

Additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Luft- und Raumfahrt zählen zu den Pionierbranchen der additiven Fertigung (Additive Manufacturing). Charakteristisch sind hier kleine Losgrößen und herstellerspezifische Anpassungen. Gleichzeitig sind diese Produkte geprägt von sehr langen Lebenszyklen (Nutzungsdauer z. B. bei Passagierflugzeugen mehr als 30 Jahre) und extrem hohen Sicherheitsanforderungen. Hohe thermische oder mechanische Belastungen, vor allem bei Start und Landung oder auch bei Turbulenzen in der Luft, zählen zu den Besonderheiten der Anforderungsprofile der meisten Bauteile.

 

Spektrum der Luft- und Raumfahrt

Die Branche besteht aus Herstellern von Raumfahrzeugen und Raketen, Herstellern von militärischen und zivilen Flugzeugen, Hubschrauberherstellern, Herstellern von UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) sowie Triebwerkherstellern. Die Branche gilt als Innovationstreiber und herausragender Wachstumsmarkt der additiven Fertigung. Perspektivisch schätzen Branchenexperten das Wachstumspotenzial dieser Industrie als sehr hoch ein.

 

Anwendungen und Materialien in der Luft- und Raumfahrt

Funktionsfähige Bauteile mit anspruchsvoller Geometrie und definierten aero- oder fluiddynamischen Eigenschaften lassen sich mithilfe der leistungsfähigen Laserschmelzanlagen von Concept Laser sehr schnell und kosteneffizient fertigen. Dazu zählen Kraftstoffsysteme, Leit- und Laufschaufeln, Anbausysteme und spezielle Hitzeschutzkomponenten. Triebwerk- und Turbinenteile, Raketenelemente, Versuchsträger sowie hochwertige Bauteile für die Kabinen- und Cockpit-Ausstattung (Interieur) sind weitere typische Anwendungen. Zum Einsatz kommen überdurchschnittlich viele Hochleistungswerkstoffe wie z. B. Inconel 718, CobaltChrome Superalloy, Titan und Titanlegierungen.

 

Geometriefreiheit und Bionik in der Luft- und Raumfahrt ermöglichen leistungsgesteigerte Bauteile

Die Affinität der Luft- und Raumfahrtbranche zur additiven Fertigung zeigt sich insbesondere in der hohen Flexibilität des Verfahrens: Die daraus resultierenden Potenziale können mit konventionellen Techniken oft so nicht umgesetzt werden. So lassen sich nun komplexe Bauteile in einem Fertigungsschritt produzieren (one shot). Diese Bauteile waren bislang überhaupt nicht herstellbar oder konnten nur aus vielen einzelnen Bauteilen mühsam und zeitaufwendig zusammengefügt werden.

Zudem ermöglichen bionische und verfahrensgerechte Konstruktionen den Flugzeugherstellern ein deutliches Plus an Leistung: Sie ermöglichen höhere Belastungswerte und sorgen so für mehr Sicherheit. Die Basis dazu bilden verfahrenstechnische Besonderheiten wie die Fertigung mit selektiven Dichten und eine optimierte Topologie. Die Anlagen von Concept Laser bieten dazu die adäquaten Tools für die Qualitätssicherung und -überwachung, die während der Entstehung des Bauteils die validen Daten gleich mitliefern.

 

Leichtbau und Funktionsintegration: Gewichtsreduktion in der Luft- und Raumfahrt

Das Ergebnis bionisch konstruierter Bauteile überrascht nicht nur optisch. Bionisch ausgelegte Leichtbauteile können, bei gleichen Belastungsanforderungen, durchschnittlich um 20 - 30 % leichter als gefräste oder gegossene Bauteile hergestellt werden. In einigen Fällen erreicht die potenzielle Gewichtsreduktion auch 60 - 80 %, etwa, wenn rechtwinklige Metallblöcke zu reinen Verbindungskörpern werden.

Zudem lassen sich zusätzliche Funktionen in das Bauteil integrieren, die die bisherigen Bauteile nicht leisten konnten. Insofern kommt neben dem Zeitvorteil auch ein Mehrwert durch eine Funktionssteigerung des Bauteils zum Tragen.

 

Kostenreduktion und werkzeuglose Fertigung

Auch die wirtschaftlichen Aspekte des 3D-Druckverfahrens gegenüber konventionellen Methoden des Formens und Zerspanens werden in der Luft- und Raumfahrt geschätzt. So können Bauteile in einem Stück bzw. Schuss (one shot) hergestellt werden. Dies reduziert einerseits den Montageaufwand (zeitlich und kostenseitig), anderseits aber auch Spannungen im Teil und damit mögliche Schwachstellen.

Da keine Vorlaufzeiten und Kosten für die Erstellung und den langfristigen Betrieb von Werkzeugen entstehen, zeigt sich die Kostenstruktur und die Verfügbarkeit von Teilen einer werkzeuglosen Fertigung ungleich günstiger. Angesichts des Einsatzhorizontes eines Flugzeugs von über 30 Jahren spielen besondere Faktoren eine Rolle: langfristige Unabhängigkeit von Werkzeugbetreibern, Option zur Modifikation von Geometrien während des Lebenszyklus oder Herstellung von Ersatzteilen „on demand“, für zeitnahe Verfügbarkeit und zur Senkung von Revisionszeiten.

Klassische Argumente für das Additive Manufacturing sind natürlich auch eine mannlose Fertigung (24h/7T-Option) und signifikante Ressourceneinsparungen von Material oder beim Prozessaufwand. Nicht zuletzt sinken die Entwicklungszeiten sehr deutlich. Erfahrungen zeigen, dass das Verkürzen eines Entwicklungsprojektes von mehreren Monaten auf weniger als 30 Tage möglich ist. Diese signifikanten Verbesserungen wirken sich deutlich positiv auf die Kostenstruktur aus, bei gleichzeitig schnellerer Verfügbarkeit (Time-to-market) bzw. hoher Flexibilität.

 

Ressourcenschonende Fertigung: Green Technology in der Luft- und Raumfahrt

Gewichtseinsparungen sind für Entwickler in der Luft- und Raumfahrt stets ein treibendes Argument, wenn es gilt, den Treibstoffverbrauch, ohne Abstriche bei den Sicherheitsanforderungen, zu optimieren.

LaserCUSING® ist eine „Green Technology“ und verbessert den viel zitierten ökologischen Fußabdruck in der Fertigung der Luft- und Raumfahrt. Laserschmelzen bedeutet unter den vier besonderen Aspekten Leichtbau, werkzeuglose Fertigung, dezentrale Fertigung und Fertigung „on demand“ einen Beitrag zur Reduzierung von CO₂-Emissionen.

Eine additive Fertigungsstrategie bietet auch in der Luft- und Raumfahrt die Kombination von Ressourcenschonung, hoher Wirtschaftlichkeit und Qualitätsansprüchen. Beim Fräsen von Flugzeugteilen fallen bis zu 95 % recyclingfähiger Abfall an, während beim Laserschmelzen ein Bauteil entsteht, dessen ebenfalls recyclingfähiger Abfall bei ca. 5 - 10 % liegt.

Auch eine zeitnahe, dezentrale Fertigung, bei Bedarf „on demand“, sind herausragende und augenfällige Stärken des Verfahrens. Es ergibt sich eine ökonomisch-ökologische Balance, die klassische Verfahren auf diesem Niveau nicht anbieten können.

 

Ersatzteilversorgung in der Luft- und Raumfahrt: zeitnah, dezentral und „on demand“

Ersatzteile werden zukünftig dezentral und verwendungsnah „on demand“, dazu noch werkzeuglos, herstellbar sein. Im Falle eines routinemäßigen Austauschs oder eines Bauteilversagens kann das Ersatzteil direkt vor Ort gefertigt werden.
Dezentrale Fertigungsnetzwerke können entstehen – globale und regionale Strategien sind möglich. So können Transportwege und vor allem die Lieferzeiten minimiert werden. Als Folge reduzieren sich die wartungsbedingten Stand- und Revisionszeiten der Flugzeuge. Große Ersatzteillager mit selten gebrauchten Teilen, wie sie angesichts der langen Lebenszyklen von Flugzeugmodellen heute unabdingbar sind, können deutlich verkleinert werden. Eine reduzierte Kapitalbindung erhöht die Flexibilität und vor allem die zeitliche Verfügbarkeit sicherheitsrelevanter Bauteile. Angesichts des Kostendrucks in der Luftfahrtbranche liegt in der logistischen Komponente ein besonderer Charme.

 

Generelle Vorteile der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt

Zu den Pluspunkten einer additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt zählen generell:

  • Hohes Leichtbaupotenzial (hohe Festigkeitswerte bei um 40 - 60 % reduziertem Gewicht)
  • Umsetzung bionischer Konstruktionen mit verbesserten Leistungskriterien
  • Optionale Funktionsintegration (z. B. Kühlung) bzw. Integral-Bauweise
  • Herstellung der Bauteile in einem Stück (one shot), d. h. Reduktion von Montageaufwand und Schwachstellen
  • Kein Abfall wie bei klassischen Zerspanungsmethoden („buy to fly ratio“ ca. 90 %)
  • Beitrag zu Nachhaltigkeitszielen der Branche: Reduktion von Treibstoffverbrauch und CO₂-Emissionen
  • Schnelle und dezentrale Verfügbarkeit, auch „Production on Demand“,
  • zeitnahe, werkzeuglose Fertigung (keine Vorlauf- und Werkzeugkosten für Werkzeuge)
  • Mannlose Fertigung 24h/Tag
  • Time-to-market – kürzere Entwicklungszeiten (weniger als 30 Tage statt mehrere Monate)
  • Schnellere Revisionszyklen (höhere Verfügbarkeit von Flugzeugen)
  • Insgesamt verbesserte Kostenstruktur und „Economies of Scale“
  • Höchste Reproduzierbarkeit der Bauteile
  • Hohe Präzision und konstant hohe Qualität der Bauteile
  • Retrofit-Option und/oder partielles Refurbishing

 

Lesen Sie hier einige Kundenzitate:

"Die Zusammenarbeit mit dem Systempartner Concept Laser ist im Bezug auf verfahrenstechnische Unterstützung ausgezeichnet und das Potential der Technik steckt erst "in den Kinderschuhen".

Wir befinden uns mit LaserCUSING® nicht nur in einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess,
sondern letztlich in einem kontinuierlichen Kreativitätsprozess, um den Ideen von Morgen in Teilen
Gestalt zu geben."
Markus Boje, Abteilungsleiter Systemhaus Technik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

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