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Innovation für Effizienz

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Patrick Dunne, Vizepräsident für fortgeschrittene Anwendungsentwicklung bei 3D Systems, beleuchtet, wie das Unternehmen mit additiver Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie für Effizienz sorgt.

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Da umweltfreundliche Referenzen für viele Unternehmen zunehmend an Bedeutung gewinnen, suchen die Hersteller nach neuen Wegen, um Produkte zu entwickeln, die eine höhere Leistungseffizienz bieten. Die Luft- und Raumfahrtindustrie steht an vorderster Front und sucht nach Möglichkeiten zur Innovation mit neuartigen Designs, die letztendlich zur Verbesserung der Treibstoffeffizienz beitragen. Additive Fertigungstechnologien ergänzen die Fertigungsabläufe und verändern die Art und Weise, wie diese Innovationen produziert werden.

Additive Manufacturing (AM) ist eine revolutionäre Technologie, die die Art und Weise verändert, wie viele Unternehmen Produkte entwerfen und herstellen - wobei die Luft- und Raumfahrtindustrie eine führende Rolle spielt. Als Werkzeug ermöglicht AM Konstrukteuren und Ingenieuren die Herstellung von Teilen, die mit traditionellen formativen und subtraktiven Methoden nicht ausgedrückt werden können. Es wird manchmal gesagt, dass bei additiven Technologien "Komplexität frei ist" - was es den Ingenieuren ermöglicht, funktionsgerecht zu entwerfen -, was allgemein eher als Design for Additive Manufacturing (DfAM) bezeichnet wird. Als digitale Technologie trägt AM auch zur Effizienzsteigerung bei, da keine traditionellen Werkzeuge erforderlich sind. Dies ermöglicht es den Konstruktionsteams, schnell zu iterieren und so schneller zu einem überlegenen Produkt zu gelangen, als dies mit früheren Technologien möglich wäre.

In der Luft- und Raumfahrt ermöglicht diese schnelle, minimal eingeschränkte Designumgebung schrittweise Änderungen bei der Designoptimierung. Auf praktischer Ebene ermöglicht dies Luft- und Raumfahrtunternehmen nun, bessere, schnellere und effizientere Plattformen zu entwerfen. Im Folgenden untersuchen wir einige der bedeutenden Vorteile, die die Luft- und Raumfahrtindustrie durch die Anwendung des kombinierten DfAM/AM-Ansatzes in der Fertigung erzielen kann.

Innovation und Konsolidierung

Wir beginnen mit der Vereinfachung der Konstruktion, der Komponentenkonsolidierung und der Reduzierung der Teileanzahl. Historisch gesehen stehen Komplexität, Kosten, Time-to-Market sowie die Zuverlässigkeit des Endsystems in enger Beziehung zur Anzahl der Subkomponenten innerhalb einer Baugruppe. Je weniger Teile Sie haben, desto weniger Montage ist erforderlich und desto weniger Fehlerquellen gibt es letztendlich.

Während eine Reduzierung der Anzahl der Teile als Konstruktionsphilosophie nicht neu ist und auch nicht ausschließlich auf die additive Fertigung beschränkt ist, erlaubt AM den Ingenieuren, sie auf eine ganz neue Ebene zu heben.

Mein jüngstes Lieblingsbeispiel war eine direkte Metallkomponente, die traditionell aus 12 separaten Gussteilen und Rohren hergestellt wurde, die alle zu einem einzigen Teil verschweißt wurden. Abgesehen von der Montagearbeit, den Werkzeugen, Vorrichtungen und Spannvorrichtungen - sowie einer komplexen, herstellerübergreifenden Lieferkette - beinhaltete es schließlich einen QC-Schritt, bei dem fast 10 m Schweißnähte akribisch auf Fehler CT-geprüft werden mussten. Als AM angewendet wurde, wurden 12 Teile zu einem - und Vorrichtungen, Montage und langsame QC-Prüfung der Bindenähte waren nicht mehr erforderlich.

Das daraus resultierende Teil war leichter, hatte weniger Fehlerstellen, war kostengünstiger und effizienter in der Beschaffung und Produktion und erbrachte eine bessere Leistung.

Als nächstes kommt die Wärmeübertragung. Die Treibstoffeffizienz von Düsentriebwerken ist eine Funktion mehrerer Faktoren. Einer dieser Faktoren ist die Systemtemperatur. Normalerweise gilt: Je heißer Sie das System betreiben können, desto treibstoffeffizienter wird es. Ein Temperaturanstieg von 100-200°C kann eine Effizienzsteigerung von 1-2 Prozent bewirken.

Das hört sich zwar nicht nach viel an, kann aber für eine Fluggesellschaft einer Treibstoffersparnis von Hunderten von Millionen Dollar gleichkommen, wenn man sich Tausende von Triebwerken ansieht, die viele Tausende von Stunden fliegen. Additive Manufacturing ermöglicht es den Ingenieuren, das Design exotischer/konformer Kühlstrukturen in Teilkomponenten zu integrieren, die es den Teilen letztendlich ermöglichen, die funktionale und strukturelle Integrität bei diesen hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten.

Ähnliche Prinzipien der Wärmeübertragung gibt es auch in Raketenverbrennungssystemen, bei denen die Temperatur den Druck steuert. Dies wiederum führt zu einer Leistungssteigerung sowie zu einer höheren Verschleiß-/Abnutzungsrate, was den Trend zur Wirtschaftlichkeit der Wiederverwendung von Systemen fördert.

Und dann gibt es noch die Gewichtsreduzierung zu berücksichtigen. Additive Manufacturing birgt enorme potenzielle Vorteile für die Effizienz von Raumfahrzeugen und Satelliten. Die Reduzierung des Gewichts von Teilen, die fliegen, führt immer zu einer verbesserten Treibstoffeffizienz und Leistung. Doch nirgendwo wird diese Verbesserung mehr realisiert als bei Raumfahrtsystemen.

Konstruktionsgetriebene Strukturoptimierung, sowohl manuell als auch automatisch, führt zu stufenweisen Änderungen des Stärke-Gewicht-Verhältnisses. Jüngste Beispiele sind Thales-Halterungen für Satellitenantennen. Durch den Einsatz fortschrittlicher Strukturalgorithmen konnte Thales ein Halterungsdesign generieren, das, ausgedrückt im direkten Titandruck, um 25 % leichter ist - bei gleichzeitiger Beibehaltung der Leistung einer traditionell hergestellten Halterung. Weitere Optimierungsmöglichkeiten wurden auf der Grundlage des Übergangs zu Rohrstrukturen identifiziert, wie wir sie bei Fahrradrahmen sehen.

Schließlich Additive Manufacturing - der Effizienz-Durchbruch. Wenn Sie Wärmeübertragung, Komponentenkonsolidierung und Gewichtsreduzierung kombinieren, können Sie sehen, wie die additive Fertigung eine große Rolle bei der Verbesserung der Energieverbrauchszahlen für den Luft- und Raumfahrtmarkt spielt. Es gibt auch noch andere Vorteile, wie z.B. kosteneffektivere F&E, kürzere Zeit bis zum ersten Teil und die Möglichkeit, maßgeschneiderte Teile herzustellen, was die Innovation fördert.

In dem Maße, wie sich die Einführung von AM in der Luft- und Raumfahrtindustrie weiter beschleunigt, wird sich auch die Zahl der Hersteller erhöhen, die Endanwendungsteile aus Kunststoff und Metall in 3D drucken. AM verändert die Art und Weise, wie Branchenführer neue, verbesserte Produkte entwickeln und gleichzeitig Effizienzen erzielen, mit denen sie ihren Wettbewerbern weit voraus sind.

https://www.3dsystems.com/industries/aerospace-defense

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