Airbus: Das Flugzeug aus dem 3D-Drucker
Aus dem Drucker auf die Startbahn: Tragflächen, Rumpf, Leitwerke kommen aus dem 3D-Drucker, werden montiert – und ab geht es in die Luft. Ganz so einfach war es nicht, aber eine Arbeitsgruppe beim europäischen Luftfahrtkonzern Airbus hat ein Flugzeug mit einem 3D-Drucker hergestellt.
Thor, eine Abkürzung für Testing High-Tech Objectives in Reality, sei ein fliegender Teststand, um neue Technologien auszuprobieren, sagte Gunnar Haase, einer der Entwickler des Flugzeugs, Golem.de auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung in Berlin (Ila), wo Airbus das Flugzeug präsentierte. Mit dem Flugzeug zeigt Airbus die Zukunft des Flugzeugbaus: Neuartige Bauformen und Fertigungstechniken sollen es ermöglichen, leistungsfähige, leichte und günstige Komponenten für Flugzeuge zu bauen.
Unter der Oberfläche ist Thor bionisch
Von außen sieht Thor aus wie ein ganz normales Flugzeug. Aber unter der Haut haben Haase und seine Kollegen verschiedene bionische Stabwerke verbaut, die den Rumpf stützen, etwa ein Isogrid(öffnet im neuen Fenster) , eine Struktur aus in Dreiecken angeordneten Rippen, die eine 0,1 Millimeter dicke Außenhaut umspannt. Solche Strukturen machen das Flugzeug leicht: Thor ist 3,5 Meter lang, hat eine Spannweite vom 3,7 Metern und wiegt etwas mehr als 20 Kilogramm.
Gefertigt wurde das komplexe Tragwerk nicht mit herkömmlichen Fertigungsmethoden, sondern mit einem 3D-Drucker. Der baute Thor Schicht für Schicht aus Polyamid per selektivem Lasersintern auf. Allerdings nicht in einem Stück – dafür sei der Drucker zu klein gewesen, erzählt Haase.
Der Drucker brauchte sieben Wochen
Über 60 Komponenten mussten für Rumpf und Tragflächen aufgebaut werden. Entsprechend dauerte der Flugzeugdruck: Sieben Wochen braucht der Drucker dafür. Eine weitere Woche waren die Airbus-Mitarbeiter damit beschäftigt, diese zusammenzusetzen.
Erstmals geflogen ist Thor vor knapp einem Jahr auf dem Sportflugplatz in Stade bei Hamburg – bei denkbar schlechten Bedingungen. Dabei zeigte sich, dass das Design nicht nur leicht, sondern auch stabil ist: Thor konnten Schneeregen und Sturm ebenso wenig anhaben wie eine harte Landung.
Wie leicht und stabil ein 3D-gedrucktes Teil sein kann, erklärt der Airbus-Innovationsmanager Bastian Schäfer Golem.de bei einem Besuch im Airbus-Werk in Hamburg-Finkenwerder am Beispiel einer Halterung.
Halterung gegen Zugmaschine: 1 – 0
Das unscheinbare Teil verbindet im Airbus A350 XWB die Schlafkabine des Piloten über Zug- und Druckstreben mit der Primärstruktur, also dem Rumpf. Normalerweise wird das Teil, das ein Gewicht von 1,7 Tonnen tragen muss, gefräst.
Diesen Halter haben Bastian Schäfer und seine Kollegen im Design optimiert und dann mit 3D-Druckern im Laserschmelzverfahren aufgebaut. "Wir haben ihn" , sagt er, "dann unter Einbeziehung eines zusätzlichen Sicherheitsfaktors auf 3,4 Tonnen ausgelegt, weil wir nicht wussten, wie er sich während der Zerstörungsprüfung verhalten würde."
Der Test des Teils, das zu dem Zeitpunkt bereits 30 Prozent weniger wog als das Fräsbauteil, verlief bemerkenswert: Bei 6 Tonnen Zugbelastung seien "alle Schrauben weggeflogen" , erzählt Schäfer. Sie hätten die Schrauben ersetzt und erneut getestet. Bei einer Zugbelastung von 10 Tonnen habe der Versuchsaufbau aufgegeben.
Der Halter brach bei 13,5 Tonnen
Mit einer größeren Maschine hätten sie den Halter schließlich kaputtgekriegt – bei 13,5 Tonnen, also knapp dem Vierfachen dessen, wofür er ausgelegt gewesen ist. Die aktuelle Version des Halters, die jetzt in einer Testversion des A350 XWB im Einsatz ist, ist zweifach überdimensioniert und wiegt nur noch etwas mehr als die Hälfte des Fräsbauteils.
Das Teil ist allerdings nur ein Prototyp. Inzwischen fliegen auch schon 3D-gedruckte Teile. Im Eurofighter beispielsweise sind einige Teile im Einsatz. In manchen Airbus A300(öffnet im neuen Fenster) ist die Verkleidung eines Flugbegleitersitzes gedruckt. Die Verkleidung musste ausgetauscht werden, doch der Lieferant war inzwischen bankrott.
Ein 3D-gedrucktes Serienbauteil fliegt
So stand Airbus vor der Frage, entweder ein teures Werkzeug anzuschaffen, um die Verkleidung auf herkömmliche Weise zu fertigen, oder sie zu drucken. So sei das erstes 3D-gedruckte Serienbauteil entstanden, das bei Airbus fliegt.
Die Herstellung von Komponenten ist aber nur ein Einsatzgebiet für die neue Fertigungstechnik. Eine wichtige Anwendung ist der Bau von Prototypen: Eine neue Komponente kann im Drucker aufgebaut und dann ins Flugzeug einbaut werden, um zu sehen, ob sie passt und funktioniert.
Airbus druckt Werkzeuge
Außerdem lassen sich mit dem 3D-Drucker Spezialwerkzeuge für bestimmte Aufgaben anfertigen. Sie hätten beispielsweise ein Werkzeug für Reparaturen an den Türen des Airbus A380(öffnet im neuen Fenster) konstruiert. "Das hat uns massiv Stunden eingespart, weil dadurch gewisse Bauteile im Türbereich, im Verkleidungsbereich nicht mehr abgebaut werden mussten" , sagt Schäfer.
Konkurrent Boeing hat kürzlich zusammen mit dem Oak Ridge National Laboratory eine 3D-gedruckte Bohr- und Schneidschablone vorgestellt, die beim Bau der Flügel der Boeing 777x(öffnet im neuen Fenster) eingesetzt werden soll. Das Teil hat auch gleich noch einen Rekord aufgestellt. Es wurde ins Guinnessbuch der Rekorde eingetragen(öffnet im neuen Fenster) als das größte 3D-gedruckte Objekt der Welt.
Das oberste Ziel ist aber die Fertigung von Bauteilen für die Flugzeuge.
Eine bionische Trennwand
Schäfer hat die Bionic Partition(öffnet im neuen Fenster) entworfen, eine Trennwand zwischen Heckküche und Passagierbereich im Airbus A320. Sie besteht aus 116 Einzelbauteilen, die aus Metall gedruckt wurden und mit Schraubverbindungen verbunden sind.
Der 2015 gebaute Prototyp wiegt 35 Kilogramm und ist damit nur etwas mehr als halb so schwer wie die herkömmliche Trennwand. Die Frage ist, ob sie genauso viel aushält. Die Wand trägt zwei Sitze, auf denen Flugbegleiter beim Start und der Landung sitzen. Deshalb muss sie recht stabil sein: In einem sogenannten 16G-Test muss sie einer Belastung von 3,5 bis 4 Tonnen standhalten. Das soll demnächst getestet werden.
Vorbild sind Knochen
Sind die Bauteile genauso stabil wie der Halter, sollten sie den Test problemlos überstehen. Was die neuen Teile so leistungsfähig macht, ist aber nicht allein die Fertigungsweise, sondern ihr spezielles Design: Die Elemente sind hohl, in ihrem Inneren befindet sich eine Vielzahl von Mikrostrukturen als Stützen. Vorbild sind etwa die Röhrenstrukturen in Knochen – daher kommt die Bezeichnung bionische Struktur.
So lassen sich leichte, aber dennoch stabile Bauteile herstellen. Ein solches Design lässt sich aber nicht mit herkömmlichen Fertigungsmethoden umsetzen. Das geht nur mit einem 3D-Drucker, der diese Strukturen Schicht für Schicht aufbaut. "Die bionische Optimierung, also die Topologie-Optimierung und das generative Design – diese neuen Methoden, die Designer jetzt anwenden, um zu neuen computergenerierten Modellen zu kommen – in Kombination mit dem 3D-Druck – das ist der Weg zum Erfolg" , sagt Schäfer.
Die Bauteile werden nachbearbeitet
Allerdings: Sie könnten nicht einfach Drucker anwerfen und es komme ein fertiges Bauteil für das Flugzeug heraus. Bis zum Einbau erfolgen noch einige Nachbehandlungsschritte. Zunächst wird das Teil dem Hot Isostatic Pressing (Hip) unterzogen: Dazu wird es in einer Druckkammer über mehrere Stunden hoher Temperatur und hohem Druck ausgesetzt.
Unter diesen Bedingungen fängt das Material an zu fließen. Winzige Poren darin werden zugesetzt, das Material dadurch verdichtet. Zumindest dann, wenn alles richtig läuft. Sie hätten auch schon einmal eines versehentlich zu hohen Temperaturen ausgesetzt und es sei komplett zerflossen, erzählt Schäfer.
Gewinde werden geschnitten, nicht gedruckt
Ein gedrucktes Teil, das in die Primärstruktur integriert würde, muss zudem poliert werden, damit es eine glatte Oberfläche bekommt. Bei einer rauen Oberfläche könnte es zu einem Ermüdungsbruch kommen. Bei den Bauteilen für die Bionic-Partition müssen die Gewinde für die Schraubverbindungen geschnitten werden, da sie sich nicht mit der nötigen Präszision drucken lassen.
Und wann kommt das 3D-gedruckte Flugzeug?
Vorbild Concept Plane
Airbus arbeite derzeit an den nötigen Schritten: Das seien die Qualifikation des Materials und der Drucker. Diese müssten noch größer und schneller werden, sagt der Airbus-Innovationsmanager. Dafür arbeite das Unternehmen mit den entsprechenden Herstellern zusammen. Zudem müsse sichergestellt werden, dass die Geräte reproduzierbar die gleiche Qualität lieferten.
Die verschiedenen Materialien müssen alle nötigen Anforderungen erfüllen. Airbus prüft alle Materialien auf dem Markt, entwickelt aber auch eigene. Das können Kunststoffe sein wie Polyamid, Alumide, Polyamid, das mit Aluminiumpartikeln vermischt ist, oder das mit Kohlenstofffasern verstärkte Polyamid Carbonmide. Aber natürlich auch Metalle wie Titan, Aluminium oder die Eigenentwicklung Scalmalloy(öffnet im neuen Fenster) , eine Legierung aus Aluminium, Magnesium und Skandium.
Airbus nutzt verschiedene Druckverfahren
Verarbeitet werden die Materialien in den Pulverdruck-Verfahren selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen, per Schmelzschichtung oder im Auftragsschweißverfahren, bei dem ein Metallfilament verarbeitet wird. Auch Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern werden gedruckt, per Composite Filament Fabrication (CFF).
Schließlich müsse das generative Design komplett verstanden sein, so dass Komponenten sicher berechnet und beherrscht werden könnten. Erst dann sei es möglich, 3D-gedruckte Teile in Serie zu fertigen und in den Flugzeugen zu verbauen, sagt Schäfer. Mit wichtigen Fortschritten rechnet er in den kommenden drei Jahren. Die bionische Trennwand etwa soll Ende 2018 in Serie gehen.
Das Concept Plane besteht aus einer bionischen Struktur
Wie das Flugzeug der Zukunft aussehen könnte, zeigt Schäfer am Modell des 2012 vorgestellten Airbus Concept Plane(öffnet im neuen Fenster) . Es ist ein kleines Flugzeug, dessen Rumpf aus einer bionischen Struktur besteht. Wenn Airbus ein neues Serienflugzeug konzipiere, dann sollen zumindest einzelne Elemente davon darin übernommen werden.
Das Concept Plane sei "die große Karotte, die wir den Ingenieuren immer vorhalten und sagen: In diese Richtung müsst ihr gehen" , sagt Schäfer. "Das ist unsere Vision, der wir bis zum Jahr 2050 sehr nahe kommen möchten."