Additive Fertigung & Luft- und Raumfahrt: Der Himmel ist die Grenze

3D Printing Aerospace Additive Manufacturing

Hochgeschwindigkeitsextrusion legt die Messlatte für Werkzeuge in der Luft- und Raumfahrt höher

Luft- und Raumfahrtingenieure gehen bei der Konstruktion von Flugzeugen ständig an die Grenzen des Machbaren. Obwohl sich die Form des Flugzeugrumpfs und der Tragflächen in den letzten Jahrzehnten kaum verändert hat, liegt der Schwerpunkt jetzt darauf, das letzte Quäntchen Effizienz aus der Flugzeugkonstruktion herauszuholen, um weiter, schneller und höher zu fliegen und dabei weniger Kraftstoff zu verbrauchen und weniger CO2, auszustoßen und die Kosten zu senken.
Das Streben nach Innovation in der Luftfahrt erhöht den Bedarf an speziellen Werkzeugen, um neue Ideen in die Realität umzusetzen. Additive Herstellung (AM) ist eine erfrischende Alernative zu Design und Prüfungen. Sie schafft Werkzeug für die nächste Generation der Flugzeugherstellung und Wartung.

Die meisten Möglichkeiten für AM in der Luft- und Raumfahrtindustrie bieten sich heute bei den Werkzeugen für die Bodenausrüstung. (Es gibt nur wenige flugtaugliche Anwendungen von 3D-Druckteilen, aber sie nehmen zu und werden später in dieser Serie Thema sein. Beispiele für Werkzeuge in der Luft- und Raumfahrt reichen von einfachen Unterlegkeilen, Batterieabdeckungen oder Farbabstreifern bis zu komplexen Spannvorrichtungen für das Biegen von Blechen. Die Kunden können Schraubenschlüssel für die schnellere Montage von Flügeln an der Karosserie drucken, oder individuell angepasste Abdeckungen, um ungewöhnlich geformte Motorteile bei der Montage oder Wartung zu schützen. Fast jedes Werkzeug der Luft- und Raumfahrt, das mit herkömmlichen Fertigungsverfahren hergestellt wurde, kann mit AM repliziert werden, das spart Zeit, Kosten und Gewicht ein.

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Die Rolle der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie

AM (Additive Manufacturing – Additive Fertigung) wird die herkömmliche Fertigung der Luft- und Raumfahrtindustrie nie vollständig ersetzen können und soll es auch nicht. Bestimmte Teile können nicht in 3D gedruckt werden und einige Materialien, die Titan und Stahl sind unersetzlich. Das heißt jedoch nicht, dass der 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt keine Rolle spielt. Vielmehr ist Essentium, Inc.® der Ansicht, dass AM als Ergänzung zu herkömmlichen Fertigungsmethoden in der Luft- und Raumfahrtindustrie zu betrachten ist.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie gehörte zu den ersten Anwendern der AM-Technologie. Die Ingenieure und Konstrukteure sind ständig auf der Suche nach Möglichkeiten, Flugzeuge leichter, schneller und kraftstoffeffizienter zu machen. Sie erkannten früh, dass 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt Zeit und Geld beim Design einspart, das Gewicht erheblich reduziert und komplexe Teile und Werkzeuge in einem Stück fertigen kann. AM trägt darüber hinaus durch schnelleres Scheitern zu Innovation im Flugwesen bei.

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Multiple 180 HSE Machines

Vorteile und Beispiele des 3D-Drucks für Luft- und Raumfahrtanwendungen

Wenn sich die Welt von der COVID-19-Pandemie erholt, wird der kommerzielle Flugverkehr voraussichtlich schnell zunehmen. Die Nachfrage zeigt, dass in den nächsten zwanzig Jahren fast 38.000 neue Flugzeugebestellt und gebaut werden. Deshalb müssen Ausrüstungshersteller, Konstrukteure und Zulieferer kostengünstige Lösungen finden, um diese Flugzeuge schnell und effizient zu produzieren.1

Gleichzeitig sind viele Flugzeuge inzwischen seit Jahrzehnten länger im Einsatz als ursprünglich vorgesehen. Das überrascht nicht, wenn man bedenkt, wie groß und umfangreich die Investitionen in ein Flugzeug sind und in welcher Qualität sie hergestellt werden. Aus diesem Grund kann eine kommerzielle Fluggesellschaft oder ein militärisches Kommando ein Flugzeug erwerben, das zwanzig Jahre oder älter ist. Flugzeuge, die 50 oder 60 Jahre fliegen, sind keine Seltenheit. In vielen Fällen sind die Zulieferer, die Teile für das Flugzeug hergestellt haben, nicht mehr im Geschäft, oder die Originalersatzteile werden nicht mehr hergestellt. Wenn die Pläne für eine benötigte Vorrichtung verloren gehen, ein Spezialwerkzeug beschädigt ist oder sich herausstellt, dass das Material, aus dem das Originalteil gefertigt wurde, bei der Bearbeitung krebserregende Partikel freisetzt, muss das gesamte Flugzeug außer Betrieb genommen werden. Essentium glaubt, dass die kostengünstigste Lösung der 3D-Druck von Luft- und Raumfahrtteilen ist.

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Die besten Materialien für den 3D-Druck flugtauglicher Teile für die Luft- und Raumfahrt

Wir wissen, dass der 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrtindustrie eine schnellere Herstellung von Maschinenkomponenten und Ersatzteilen ermöglicht. Es unterstützt die schnelle Konstruktion und Iteration von Prototypen und ermöglicht die Herstellung von Teilen in beliebiger Menge und Form ohne übermäßigen Materialabfall. Die größte Attraktivität von AM für die Luft- und Raumfahrt liegt jedoch in der Möglichkeit, Flugzeugteile mit der gleichen Festigkeit herzustellen wie Komponenten, die mit herkömmlichen Methoden und Materialien gefertigt werden, und das bei etwa der Hälfte des Gewichts.

Bislang hat sich AM in der Luft- und Raumfahrt am stärksten bei der Bodenausrüstung und nicht tragenden kosmetischen Teilen wie Innenverkleidungen, Knöpfen und Abdeckungen ausgewirkt. Die Entwicklung fortschrittlicher, mit Glas-, Metall- oder Kohlenstofffasern verstärkter Filamente, die die Festigkeit und Temperaturbeständigkeit von Aluminiumteilen erreichen und dabei bis zu 50 % leichter sind, eröffnet jedoch neue, flugkritische Möglichkeiten für AM in Flugzeugen.

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1Die Auswirkungen des 3D-Drucks auf den Luft- und Raumfahrtsektor, Aerospace and Defense Review, 13.07.20

2Kraftstoffverbrauch als Funktion von Gewicht und Entfernung - ZHAW, https://digitalcollection.zhaw.ch/, von R Steinegger