Flugzeuge aus dem Laserdrucker
9. Mai 2014
Ein Flugzeug mit einem riesigen Fenster - Passagiere blicken durch eine transparente Haut in den Himmel. Die Verstrebungen im Rumpf richten sich viel mehr als bisher nach den Kräften und Lasten, die auf das Flugzeug wirken. Wirr, wie das Wurzelgeflecht eines Baumes sehen sie aus, und so gar nicht, als wären sie mittels einer Simulationssoftware am Computer entworfen.
Der Ingenieur Bastian Schäfer hat den visionären Flieger beim Laserkongress 2014 in Aachen vorgestellt. Er befasst sich bei Airbus in Hamburg mit Flugzeugen der Zukunft. "Je leichter wir die Flugzeuge machen, desto mehr Treibstoff sparen wir ein", sagt Schäfer, "deshalb sind bionischer Leichtbau und der 3-D-Druck Schlüsseltechnologien, die die Luftfahrtindustrie dramatisch beeinflussen werden."
Beim Fliegen zählt jedes Gramm
So drehte sich beim Laserkongress auch viel um die Luftfahrtindustrie. Am Computer entworfene und am Laserdrucker ausgedruckte Bauteile sind nämlich gerade dort stark im Kommen. Mit solchen Fertigungsverfahren lassen sich Leichtbaukonstruktionen schaffen, die hochbelastbar sind.
Die Airbus-Idee hat viel mit Science zu tun, aber nur wenig mit Fiction. Schon heute werden immer mehr Flugzeugbauteile in 3-D-Druckern gefertigt. Die Gewichtsersparnis durch die Nutzung bionischer Designs veranschaulicht der Ingenieur anhand einer neuartigen Kabinenhalterung aus Titan, die mit 0,6 Kilogramm Gewicht nur halb so schwer ist wie das herkömmliche Bauteil.
"Unsere Halterung sollte 2,4 Tonnen Gewicht tragen können. Wir haben sie in eine Prüfmaschine gespannt und nach einer gewissen Zeit ging nicht die Halterung sondern die Testmaschine kaputt", berichtet der Ingenieur Schäfer von einem Experiment. Über sechs Tonnen Belastung hielt das Bauteil am Ende aus, ohne zu zerbrechen. Nicht nur leichter, sondern auch viel stabiler war es also. Die Lehre daraus: Man kann das Gewicht offensichtlich noch weiter reduzieren. Bis zu 70 Prozent könnte man bei einzelnen Komponenten einsparen, schätzt der Airbus-Entwickler.
Schmelzen im Pulverbett oder von Roboterhand
Die Halterung für die Airbus-Kabine wurde durch "selektives Laser-Schmelzen" hergestellt. Dabei schmilzt ein Laser das Bauteil Schicht für Schicht in einem Pulverbett. Durch dieses Verfahren lassen sich hochfiligrane Einzelteile herstellen. Der Nachteil: Die Herstellung selbst kleiner Bauteile kann recht lange dauern, weil die Schichten sehr dünn sind.
Nicht so fein, aber viel schneller geht das Laser-Auftragsschweißen. Dabei führt ein Roboterarm einen Laserkopf über eine Oberfläche, während aus winzigen Düsen Metallstaub direkt in den Fokus des Strahls geblasen wird. Dort verschmilzt das Metall und eine neue Struktur entsteht.
"Es ist möglich, viel größere Teile herzustellen, die über einen Meter groß sind", führt Antonio Candel-Ruiz, Entwickler beim Laserhersteller Trumpf, weitere Vorteile des Auftragsschweißens an. "Wir können auch Strukturen auf bestehende Teile aufbringen und das Drucken der Teile geht auch schneller. Je nach Material kann das Gerät bis zu 100 Kubikzentimeter Metall pro Stunde aufbringen."
Aus alt mach neu
Heute wird dieses Verfahren häufig zur Reparatur von hochwertigen Verschleißteilen eingesetzt. Die Ingenieurin Stefanie Linnenbrink nimmt eine Turbinenschaufel und spannt sie in eine Werkzeugmaschine. "Jetzt schaue ich sie mir erst mal an," erklärt sie in der Werkhalle des Fraunhofer Institut für Lasertechnologie (ILT) in Aachen. "Dazu nehme ich einen Scanner, der optisch die Geometrie der Schaufel erfassen kann. Der zeigt mir jede Schadstelle. Aus den gesammelten Daten baue ich ein Oberflächenmodell".
Nun legt Linnenbrink am Computer Schweißbahnen virtuell auf die Schadstellen der Turbinenschaufel. Ist das Computermodell fertig, fängt der Laserkopf an zu arbeiten. Schicht für Schicht trägt er das durch langjährigen Gebrauch verlorene Material wieder auf die Schaufel auf - solange, bis die Schaufel ihre ursprüngliche Form wieder angenommen hat. Solche Sonderbehandlungen bekommen allerdings nur die hochwertigsten Flugzeugteile, sagt sie: "Bei einem recht günstigen Bauteil lohnt es sich nicht. Kostet das Teil schon in der Herstellung 15.000 Euro, dann schon."
Das Ergebnis ist praktisch genau so gut wie eine neue Turbinenschaufel. "Durch das Aufschweißen haben sie zwar grundsätzlich ein anderes Gefüge, aber durch eine Wärmebehandlung kann man die beiden Gefüge aneinander angleichen", sagt Marco Göbel von der Technischen Hochschule RWTH Aachen. "So kann man bis zu 95 Prozent der ursprünglichen Materialeigenschaften zurückbekommen."
Serienproduktion ist bereits Realität
Und das ist dann richtig stabil: Lasergedrucktes Metall ist so fest als sei es geschmiedet - auch noch nach einer Reparatur. Und alle denkbaren Metalllegierungen lassen sich so verarbeiten - etwa Titan, Nickel, Kobalt, Kupfer- und Aluminiumlegierungen. Sogar Teile aus Keramik können die Ingenieure so drucken.
In der Serienfertigung für Flugzeugteile gehört dem 3-D-Druck die Zukunft, sind die Laser-Entwickler überzeugt. "General Electrics (GE) wird eine Einspritzdüse generativ herstellen, mit einer Stückzahl in den nächsten Jahren von 100.000 Teilen", gibt der Ingenieur Wilhelm Meiners vom Fraunhofer ILT ein Beispiel. "Das ist schon eine ernstzunehmende Serienproduktion im Triebwerksbau." Und damit steht GE nicht alleine. Und auch andere prominente Turbinenhersteller wie MTU oder Rolls Royce setzen ebenso auf Bauteile aus dem Drucker.