Perfekte Premiere

Als neue Schlagworte tauchen nun Leichtbau und Bionik auf. Als Trend erkennbar wird ein generativ geprägtes Verfahren, das das konstruktive Denken verändert. Bei Flugzeugkonstruktionen können zukünftige Bauteile gezielt die Kraftlinien auffangen und zugleich dem Ansatz des Leichtbaus gerecht werden. Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung paaren sich mit Verbesserungen der Kostenstruktur.

Verbindungselemente, sogenannte Brackets, die im Airbus A350 XWB zum Einsatz kommen, wurden als Finalist mit dem „Innovationspreis der deutschen Wirtschaft 2014“ ausgezeichnet.

Der Kabinenhalter des Airbus A350 XWB aus Titan wurde im LaserCusing-Verfahren hergestellt.

Nach Einschätzung der Jury revolutioniert diese industrieübergreifende Entwicklung die Art, Flugzeugstrukturelemente zu fertigen und den Leichtbau bei Zivilflugzeugen zu realisieren. Bislang war das Bauteil ein gefrästes Teil aus Aluminium, nun ist es ein gedrucktes Teil aus Titan mit etwa 30 Prozent weniger Gewicht.

Gute Argumente

Die Argumente für das Laserschmelzen mit Metallen im Flugzeugbau sind Geometriefreiheit und Gewichtsreduzierung. Der Ansatz Leichtbau soll den Airlines helfen, ihre Flugzeuge ökonomischer zu betreiben. Für Brackets wirkt sich die erzielbare Gewichtsreduktion in tendenziell niedrigeren Treibstoffverbräuchen oder einem Potenzial für erhöhte Flugzeugzuladungskapazitäten aus.

Eine neue Flugzeugkonstruktion erfordert tausende von sogenannten Flight-Test-Installations-Brackets mit Kleinststückzahlen. Das additive Layer Manufacturing ermöglicht es den Konstrukteuren, neue Strukturen zu entwerfen, wobei die Bauteile um mehr als 30 Prozent leichter als konventionelle Gieß- oder Frästeile sind. Die CAD-Daten sind unmittelbar Grundlage eines additiven Baujobs.

„Früher veranschlagten wir für eine Bauteilentwicklung rund sechs Monate, heute ist daraus ein Monat geworden.“
Peter Sander, Airbus.

Weniger Werkzeuge reduzieren Kosten und verkürzen die Zeitspanne bis zur Bauteilverfügbarkeit um bis zu 75 Prozent. Dadurch lassen sich bereits früh Funktionsmuster mit seriennahem Bauteilcharakter herstellen. Peter Sander, Leiter Emerging Technologies & Concepts, Airbus, Hamburg: „Früher veranschlagten wir für eine Bauteilentwicklung rund sechs Monate – heute ist daraus ein Monat geworden.“ Beim Fräsen von Flugzeugteilen entsteht bis zu 95 Prozent recyclingfähiger Abfall. Laserschmelzen hingegen erzeugt ein endkonturnahes Bauteil, dessen Abfall bei etwa 5 Prozent liegt. „Wir sprechen im Flugzeugbau von der ‚buy to fly ratio‘, und da sind 90 Prozent ein fantastischer Wert. Dieser Wert spiegelt sich natürlich auch in der positiven Energiebilanz wider“, sagt Claus Emmelmann, CEO, Laser Zentrum Nord GmbH, Hamburg. Das macht das Verfahren speziell bei hochwertigen und teuren Flugzeugmaterialien wie Titan überaus interessant. Eine werkzeuglose Fertigungsstrategie soll Zeit sparen und die Kostenstruktur verbessern.

Frank Herzog, CEO, Concept Laser GmbH, Lichtenfels: „LaserCusing ist eine ‚Green Technology‘ und verbessert den viel zitierten ökologischen Fußabdruck in der Fertigung.“

Hohe Gestaltungsfreiheit

Sander: „Losgrößenbetrachtungen sind im Flugzeugbau essenzieller als bei Volumenfertigungen, um Skaleneffekte zu erzielen.“ Die vergleichsweise hohen relativen Investitionskosten für die Gussformen und eventuell notwendige Werkzeugkosten entfallen. Darüber hinaus bietet die additive Fertigung mit dem Laser eine höhere Gestaltungsfreiheit gegenüber konventionellen Fertigungsstrategien.

Sicherheitsrelevante Teile

In der Luftfahrt denken die Flugzeugbauer schon heute an gekühlte Elemente für die Elektronik oder intelligente, hydraulische Komponenten. Emmelmann: „Große Potenziale sehe ich insbesondere für Strukturbauteile von Abmessungen bis

„Große Potenziale sehe ich insbesondere für Strukturbauteile von Abmessungen bis zu einem Meter, sowie für Bauteile im Triebwerksbereich.“
Claus Emmelmann, Laser Zentrum Nord.
Bilder: Concept Laser

zu einem Meter, sowie für Bauteile im Triebwerksbereich.“ Bereits in der CAD-Konstruktion werden die Kraftflüsse im Bauteil sehr genau bestimmbar. So ist die Laserschmelz-Technologie in der Lage, sicherheitsrelevante Bauteile zu entwickeln, die noch besser, leichter und langlebiger sind als die Bauteile von heute. Emmelmann weiter: „Laseradditiv gefertigte Werkstoffe weisen eine höhere Festigkeit bei gleichzeitig geringerer Duktilität auf, die aber durch die richtige Wärmebehandlung auch wieder gesteigert werden kann.“

Ersatzteile werden zukünftig dezentral und verwendungsnah „on demand“, dazu noch werkzeuglos, herstellbar sein. 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 können deutlich verkleinert werden. So erhöht eine reduzierte Kapitalbindung die Flexibilität und die zeitliche Verfügbarkeit sicherheitsrelevanter Bauteile.

Poröse Strukturen

Durch das Laserschmelzen mit Metallen werden feinste, sogar knochenartige und poröse Strukturen herstellbar. „Zukünftige Flugzeugbauteile werden daher ‚bionisch‘ aussehen“, schätzt Emmelmann. Diese Naturlösungen werden bei Airbus derzeit hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit strukturiert analysiert. Mittels ‚intelligenter Belichtungsstrategien‘ des Lasers kann dieser ein Bauteil gezielt beaufschlagen, so dass es in Struktur, Festigkeit und Oberflächengüte maßgeschneidert werden kann. Sander ergänzt: „Erste Prototypen zeigen große Potenziale einer bionisch motivierten Vorgehensweise unter Einbeziehung aller relevanten Sicherheitsanforderungen. Das Verfahren dürfte eine Art Paradigmenwechsel in Konstruktion und Fertigung auslösen.“

„LaserCusing ist eine ‚Green Technology‘ und verbessert den viel zitierten ökologischen Fußabdruck in der Fertigung.“
Frank Herzog, Concept Laser.

„Gegenwärtige Grenzen der Technik sind durch die Kompromisse bei der Oberflächengüte gegeben, die allerdings vergleichbar mit denen von Gussbauteilen sind“, beschreibt Emmelmann. Diese Phänomene bringen etwa bei Titan eine erhebliche Reduktion der Dauerfestigkeit mit sich. Gerade diese Kenngröße ist für hochbelastete Strukturbauteile im Flugzeugbau essenziell. Berücksichtigt werden müssen die hohen Belastungen, denen Flugzeuge in ihrem sehr langen Lebenszyklus (> 30 Jahre) ausgesetzt sind. Durch nachgelagerte Oberflächenbehandlungen wie etwa das Mikrostrahlen sowie eine korrekte Wärmebehandlung kann die Dauerfestigkeit aber signifikant gesteigert werden.

Für Flugzeugbauer ist die Kontrolle während der Aufbauphase des Bauteils einer der wichtigsten Industrialisierungsbausteine. Sander: „Das ‚Inline Process Monitoring‘ mit dem QM-Modul QMmeltpool von Concept Laser bedeutet in der Praxis: Auf einer sehr kleinen Fläche von 1 x 1 mm2 überwacht das System mittels Kamera und Fotodiode den Prozess. Anschließend wird der Prozess dokumentiert.“ Die QM-Module wie QMmeltpool, QMcoating, QMatmosphere, QMpowder und QMlaser sind die wesentlichen Instrumente der aktiven Qualitätssicherung, während das Bauteil hergestellt wird. Sie messen die Laserleistung, das Schmelzebad, den Schichtaufbau des Metallpulvers und überwachen beziehungsweise dokumentieren den gesamten Herstellprozess lückenlos.

Kontakt:

• Airbus Deutschland, www.airbus.de
• LZN Laser Zentrum Nord GmbH, www.lzn-hamburg.de
• Concept Laser GmbH, www.concept-laser.de