Das Timing war perfekt: Trumpf Laser- und Systemtechnik und Sisma S.p.A. kündigten einen Tag vor Beginn der Konferenz ein Joint Venture an, das im italienischen Piovene Rocchette bei Vicenza Fertigungssysteme der neuesten Generation für das 3D-Drucken von Metallteilen entwickeln soll.

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Beide Unternehmen zählen zu den langjährigen Pionieren des sogenannten Additive Manufacturing (AM). In dem deutsch-italienischen Gemeinschaftsunternehmen geht es um Laserauftragschweißen, das die Luftfahrtbranche bereits bei Wartung, Reparatur und Überholung einsetzt. Die nächsten Entwicklungsschritte schilderte Dr. Antonio Candel Ruiz von Trumpf Laser- und Systemtechnik auf dem EU Innovation Forum ›Laser Additive Manufacturing in Aeronautics‹, einem Traditionstreff der Branche auf der AKL’14. Dazu verwies er auf neue stärkere Maschinen wie die TruLaser Cell 7040, die mit einer Leistung von 4kW bis zu 1,0 mm dicke Schichten mit einer Auftragsgeschwindigkeit von 2,0 m/min auftragen könne.

LMD oder SLM?

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Im Vergleich zum selektiven Laserschmelzen (SLM: Selective Laser Melting) arbeite LMD deutlich schneller und eigne sich besonders für größere Teile. Hier gebe es im Prinzip bei der Bauteilgröße nur eine Einschränkung: den Arbeitsbereich der LMD-Anlage. Die aktuellen Auftragsraten betragen von 5,0 bis 40 cm³/h (SLM: 5,0 – 10 cm³/h), es lassen sich sogar schon mehr als 100 cm³/h erreichen. In Frage käme LMD zur direkten Produktion von metallischen Bauteilen, etwa von Verstärkungsbauteilen für bereits existierende Flugzeugkomponenten, beispielsweise von Beschlägen aus Inconel 718 für Fahrwerke. Dazu beteiligt sich Trumpf zusammen mit Aerospace-Unternehmen und dem Fraunhofer ILT an dem EU-Projekt AMAZE (Additive Manufacturing Aiming Towards Zero Waste & Efficient Production of Hightech Metal Products), das die Genauigkeit der gedruckten Bauteile erhöhen, die Aufbauraten verzehnfachen und die Ausschussraten auf unter 5,0 % senken soll. Besonders interessant ist die Möglichkeit, mit LMD Bauteile aus mehreren Schichten aufzubauen. Auf einer LMD-Anlage (1 kW Leistung) hat Trumpf einen Kubus mit Dreischichtaufbau erzeugt, der aus Stellite, einer Legierung auf Cobalt-Chrom-Basis, Edelstahl und Inconel 718, einer Titan-Legierung, besteht. »Alles in allem sehen also die Chancen für das Verfahren gut aus. Wenn wir die Prozessbedingungen und die Werkzeugbahnen verbessern, lassen sich mit Laserauftragschweißen erfolgreich endkonturnahe, maßstabsgetreue Teile herstellen, die eine große Bandbreite an Wanddicken und Bauteillängen abdecken,« so Ruiz.

Pioniere aus München

Zu den Pionieranwendern des Laserauftragschweißens zählt MTU Aero Engines aus München, die bereits 200 verschiedene Serienteile aus Kunststoff und Metall herstellt. Das Unternehmen nutzt das Verfahren zum Herstellen von Befestigungsteilen, Werkzeugen und ersten Serienkomponenten. Dazu zählen beispielsweise die sogenannten Boroskopaugen, über die Techniker ins innere der Triebwerke schauen, um den Zustand der Schaufeln zu checken. Diesen Bauteilen sollen Herzstücke der Triebwerke folgen. »Es gibt ein enormes Potenzial«, betonte Dr. Karl-Heinz Dusel, Leiter Rapid Technologien bei MTU. »Doch die Serienproduktion erfordert mehr als nur eine neue AM-Maschine. Es gilt vielmehr, die komplette Prozesskette aufzubauen und zu verbessern.« Außerdem müssten konventionelle Produktionsprozesse integriert werden.

Neues Denken gefragt

Auf neues Denken in Sachen Additive Manufacturing schwor Prof. Dr. Ingomar Kelbassa vom Fraunhofer ILT in Aachen die AM-Community ein. So sinke durch den Einsatz der AM-Verfahren der Aufwand der Endbearbeitung etwa durch 5-Achs-Fräsen deutlich, da nicht mehr aus dem Vollen gefräst (Milled from Solid) sondern ein near-net-shape generiertes Bauteil lediglich konturiert werden muss.

Als besondere Eigenschaft der AM-Technologie sieht der Fachmann aus Aachen an, dass die Herstellkosten im Vergleich zu konventionellen Produktionsverfahren mit steigender Komplexität nicht steigen, sondern konstant bleiben. Doch diese Vorteile ließen sich nur nutzen, wenn AM-Verfahren auch zum Entstehen völlig neuer Konstruktionen dienen. »Laser Additive Manufacturing ist ein völlig neuer Weg, um Bauteile herzustellen«, betonte Dr. Kelbassa. »Ich plädiere daher für bionisches Design, denn die Natur ist ein guter Konstrukteur.«

Ein Beispiel sind Gitterstrukturen, die aus Einheitszellen bestehen. »Die periodische Kombination einer Einheitszelle führt zu einem integralen Gitter, das dann ein quasi Schwarm-Verhalten der Einheitszellen unter mechanischer Belastung aufweist.«

Bionik in Reinkultur präsentierte Airbus Operations aus Hamburg. »Wir alle hier im Raum befinden uns in einem echten Innovations-Wunderland, denn wir sorgen für den Technologie-Wandel«, stimmte Bastian Schäfer von der Vordenkerabteilung Cabin Innovation Strategy & Concepts die Zuhörer des EU Innovation Forums ein.

»Das ist eine Gelegenheit, die wir nicht oft haben. Für mich als Ingenieur mit eigenen Projekten ist die Situation perfekt.« Die Euphorie ist verständlich, denn Schäfer arbeitet an den Flugzeugen der Zukunft. Bei der Arbeit am Airbus Concept Cabin 2050 ließen sich der Ingenieur und seine Mitstreiter vom bionischen Fahrzeug von Mercedes Benz inspirieren.

Mutter Natur als Vorbild

Als Vorbild diente Airbus der Körperbau von Vögeln. Zum Herstellen der Struktur, in der es kein einziges rechtwinkliges Bauteil mehr geben wird, setzt Schäfer auf Verfahren wie SLM, mit dem bereits Modelle des zukünftigen Flugzeuges entstanden sind. Die filigrane Struktur erfordert deutlich stabilere Werkstoffe statt der bisherigen typischen Materialien wie CFK oder Titan. Die Idee zu völlig neuen Bausteinen für das Flugzeugskelett stammt aus der Bionik. »Die Natur nutzt die DNA, in der alle Informationen zum Aufbau von großen, stabilen Skeletts stecken«, so Schäfer.

Karbonstrukturen

Statt an DNA denken die Airbus-Forscher an winzige Carbon-Nanoröhrchen, sogenannte Carbon-Nano-Tubes (CNT), die sich dann quasi als Schwarm von Trillionen CNTs zu einem großen Skelett vereinen. Das Herstellen dieser additiven Strukturen sollen große 3D-Printer übernehmen.

Doch AM-Verfahren verändern jetzt schon die Flugzeugindustrie. So entwickeln die Hanseaten aktuell eine neue Ersatzteilversorgung. »Wenn wir nicht aufpassen, passiert uns dasselbe wie der Musikindustrie«, gab Schäfer zu bedenken. »Kunden sollen künftig unsere Bauteile virtuell herunterladen und auf von uns zertifizierten 3D-Druckern herstellen. Wir müssen uns nun auf eine rechtliche Diskussion über virtuelle Bauteile einlassen.«

Diese Visionen aus der Hansestadt Hamburg zeigen auf, zu welchen neuen Wegen das Additive Manufacturing die Vordenker in der Luftfahrtindustrie inspiriert: Sie zeigen die Chancen, aber auch die Risiken auf. »Wir können mit dieser Technologie Produktionsprozesse total verändern«, so Prof. Reinhart Poprawe M.A., Leiter des Fraunhofer ILT.

Nikolaus Fecht

Fachjournalist aus Gelsenkirchen

Euroblech 11 C05