Leichter fliegen dank Laser

Mehr als 50 Prozent Gewichtsersparnis im Flugzeugbau – das ermöglicht jetzt ein hypermodernes Produktionsverfahren. Das sogenannte 3D-Lasersintern metallischer Ausgangsstoffe erlaubt eine völlig neue Art der Konstruktion. So lassen sich die Anzahl und das Design von Flugzeugbauteilen auf ein neues Minimum reduzieren – und damit massiv Gewicht und Volumen einsparen.

Das österreichweit einzige – und weltweit zweite – Gerät für dieses Verfahren steht derzeit bei der FOTEC in Wiener Neustadt. Das Forschungsunternehmen der dortigen Fachhochschule optimiert aktuell die Kontrolle und Qualitätssicherung des Produktionsprozesses – und stellt „nebenbei“ einen Treibstoffsammler für einen Flugzeugmotor her, der sogar um 75 Prozent leichter als bisher ist.

Im Flugzeugbau zählt jedes Gramm. Gewicht reduzieren spart Kerosin und macht den Betreiber wettbewerbsfähiger. Doch Anforderungen an die Sicherheit und konstruktionsbedingte Einschränkungen setzen dem Willen zum Abspecken Grenzen. Diese werden nun durch einen völlig neuartigen 3D-Fertigungsprozess verschoben: das Metall-Lasersintern.

LASERSINTERN HEBT AB

Noch ist die Methode so neu, dass es weltweit nur wenige professionelle Produktionsmaschinen gibt. Eine davon steht bei der FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH in Wiener Neustadt. Mit diesem Gerät wurde nun für den österreichischen Flugzeughersteller Diamond Aircraft Industries GmbH ein lasergesinterter Prototyp eines sogenannten Treibstoffsammlers hergestellt. Zu dem beeindruckenden Ergebnis des aus einer Titan-Legierung bestehenden Werkstücks meint Dr. Gerhard Pramhas, Geschäftsführer der FOTEC: „Mittels des Lasersinterns konnten wir die Anzahl an Bauteilen von fünf auf einen verringern. Damit ging auch eine Gewichtsreduktion von 77 Prozent einher. Möglich wurde dies durch das einmalige Herstellungsprinzip.“

Ausgangsstoff beim Metall-Lasersintern ist ein metallisches Pulver. Mechanisch wird dieses schichtweise zu einem Pulverbett aufgebaut. Nach jedem Schichtauftrag wird das Pulver an definierten Stellen durch einen Laser verschmolzen. Anschließend wird eine weitere Pulverschicht aufgetragen und erneut an den vorausberechneten Stellen zum Schmelzen gebracht. So lassen sich Schicht für Schicht höchst komplexe Bauteile in einem Stück fertigen. Im Prinzip handelt es sich dabei um einen sogenannten Rapid-Prototyping-Prozess, der hier aber mittels Laser in Metall ausgeführt wird. Der zuständige Bereichsleiter Dr. Rolf Seemann erläutert dazu: „Man spricht in diesem Zusammenhang von generativen Fertigungsverfahren. Diesen ist gemein, aus einem formlosen Ausgangsmaterial durch Hinzufügen Bauteile zu erzeugen, wobei die Möglichkeit zur Metallverarbeitung der ganz wesentliche Innovationsschritt ist. Denn dank diesem Material können statt prototypischen Modellen aus Gips oder Kunststoff voll funktionsfähige Einzelstücke produziert werden – wie eben der Treibstoffsammler.“

Dieser bestand bisher aus fünf an der Drehbank produzierten Einzelteilen, die anschließend klassisch verschweißt wurden. Die Teile sind dabei z. T. hohl um einen Treibstoffdurchfluss zu ermöglichen. Und eine der Komponenten hat zusätzlich ein Gewinde, dessen Herstellung einen eigenen Produktionsschritt erforderte. Beim Metall-Lasersintern konnte der gesamte Treibstoffsammler, mit Hohlräumen und Gewinde, in einem Schritt hergestellt werden. Die Produktionsgenauigkeit liegt dabei im Mikrometerbereich und neben dem Gewicht ließ sich auch das Volumen des Treibstoffsammlers um fast 60 Prozent vermindern.

KREATION STATT REPLIKATION

Tatsächlich gelang es dem Team um Dr. Seemann eine geometrisch und funktionell exakte Replik des Original-Treibstoffsammlers herzustellen. „Doch Replizieren ist eigentlich nur die Pflicht“, erklärt Dr. Pramhas. „Die Kür besteht in der Kreation völlig neuer Konstruktionsdesigns von Werkstücken, die alle Vorteile des 3D-Lasersinterns ausnutzen. Denn dieses öffnet ja einmalige Möglichkeiten, die durch klassische Methoden zur Herstellung von Metallwerkstücken, wie Fräsen, Drehen oder Bohren, nie erreicht werden können. Ein Einfach-Beispiel dafür sind Bohrungen, die bisher nur gerade verlaufen konnten, nun aber auch in beliebigen Bögen um die Ecke geführt werden können.“

Obwohl die Anlage bei der FOTEC tatsächlich zur industriellen Fertigung geeignet ist, liegt der aktuelle Tätigkeits-Fokus woanders, wie Dr. Pramhas erläutert: „Die Qualität des Prozesses hängt stark vom optimalen Laserschmelzprozess ab. Zu dessen Kontrolle möchten wir ein optisches Verfahren entwickeln, das während des laufenden Produktionsprozesses arbeitet. In einer weiteren Entwicklungsstufe soll dieses dann auch einmal direkt Informationen an einen adaptiven Steuerungsprozess liefern, sodass die Qualität der Werkstücke auch bei größeren Stückzahlen gleichbleibend hoch ist.“ Denn obwohl das Metall-Lasersintern sich eher für die Produktion von Einzelstücken eignet, so lassen sich Stückzahlen von mehreren hundert pro Jahr durchaus realisieren. Eine allemal ausreichende Anzahl für den Flugzeugbau, in dem Metall-Lasersintern zukünftig eine größere Rolle spielen könnte.

Ein Video zum 3D-Lasersintern metallischer Ausgangsstoffe an der FOTEC finden Sie hier: http://www.wntv.at/hd/?module=player&id=6933

Kontakt FOTEC:
Prof.(FH) DI Dr. Gerhard Pramhas, MBA
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