DER LANGE WEG ZUM FLIEGENDEN AM-BAUTEIL

Text und Fotos: Thomas Masuch — 09.09.2019

Bei Europas größtem Flugzeughersteller Airbus spielt die Additive Fertigung eine wichtige Rolle. Doch gerade bei sicherheitsrelevanten Metallteilen müssen bei der Entwicklung, Qualifikation und Produktion hohe Hürden genommen werden.

Auch für die Zukunft der Luftfahrt spielt die Additive Fertigung eine entscheidende Rolle. Denn sie kann Flugzeuge leichter machen, was letztlich Treibstoff spart und damit sowohl die Umwelt als auch die Bilanzen der Airlines schont. »Je mehr an einem Flugzeug verbessert wird, desto stärker kommt auch additive Technologie zum Einsatz«, so Jens Telgkamp, der bis Ende Juli 2019 als Manager Airframe Research & Technology bei Airbus Operations tätig war und danach als Professor an die Fakultät Technik und Informatik der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg wechselte.

Bereits jetzt kommen zahlreiche 3D-gedruckte Bauteile zum Beispiel bei Updates der bestehenden Modelle (den Neo-Versionen) zum Einsatz. Und auch wenn Airbus derzeit keine neue Flugzeugmodell-Reihe angekündigt hat, wird im Bereich Additive Fertigung weiterhin viel geforscht. Denn gerade in der additiven Metallfertigung ist der Vorlauf bis zum 3D-gedruckten Flugzeugteil enorm: Bauteile müssen identifiziert, neu designt und für additive Fertigungsprozesse optimiert werden. Und auch die Prozesskette muss stehen, was zum Beispiel viel Vorarbeit für die Qualifizierung und eine enge Zusammenarbeit mit Zulieferern erfordert.

Bis ein komplett neues Airbusmodell in Finkenwerder die Startbahn verlässt, »wird aber noch einiges an Wasser die Elbe herunterfließen«, wie man in Hamburg sagt. Denn die Modellwechsel haben in der Luftfahrtindustrie einen anderen und langsameren Rhythmus als zum Beispiel in der Automobilindustrie, wo alle 6–7 Jahre eine neue Generation die Fabrikhallen verlässt.

Beispiele für den Einsatz Additiver Fertigung bei Airbus gibt es aber auch jetzt schon zahlreiche – meist sind sie bisher allerdings aus Kunststoff. Rund 50.000 bis 100.000 Kunststoffteile sind bereits in verschiedenen Airbus-Flugzeugen verbaut, schätzt Telgkamp. Diese sind in der Regel aber nicht sicherheitsrelevant und kommen zum Beispiel bei der Ausstattung der Kabine zum Einsatz. Auch als Hilfsmittel bei der Produktion und Montage haben sich additiv gefertigte Bauteile bewährt, ergänzt Fabian Kandels, der als Fertigungsingenieur am Standort Finkenwerder auf Additive Manufacturing spezialisiert ist.

 

»Die Airbus-Qualifizierung umfasst die Beschreibung des gesamten Prozesses einschließlich des Post-Processing«

Bei Metallbauteilen ist die Zahl deutlich geringer und eher dreistellig, wie Telgkamp erklärt. Das liege einerseits daran, dass Metallbauteile viel öfter sicherheitsrelevant sind. Zudem sei die Fertigungstechnologie für Metallbauteile »einfach viel komplexer«. Beispiele für bereits fliegende additive gefertigte Metallbauteile sind doppelwandige Treibstoffrohre am Militärtransporter A400M und Halterungen für das Bugfahrwerk des Airbus A350 XWB.

»Viel zu lange Prozesskette«

Dass in der Luftfahrtindustrie die Additive Fertigung schon seit vielen Jahren ein Thema ist, aber erst recht wenige Metallbauteile Text verbaut sind, liegt einerseits an den hohen Sicherheitsanforderungen der Branche. Jens Telgkamp sieht zudem eine große Herausforderung in »der viel zu langen Prozesskette mit vielen Prüf- und Testschleifen«. Der gesamte Fertigungsprozess einschließlich Nachbehandlung (HIP) und Qualitätskontrolle (CT) nehme nicht nur viel Zeit in Anspruch, sondern erfordere bei den Lieferanten auch sehr hohe Investments. »Der ganze Prozess sollte kürzer werden, doch dafür müssen wir noch mehr wissen.«

Um noch mehr zu wissen, erforscht Airbus eine Reihe von AM-Technologien und hat für den Weg zur Serienreife die von der NASA entwickelten TRL-Stufen (Technical Readiness Level) weitestgehend übernommen. Angefangen bei der Identifikation der Bauteile umfasst der R&D-Bereich die Stufen 1 bis 6. Danach beginnt die Phase, in der zusammen mit Zulieferern die Serienproduktion (TRL 9) aufgebaut wird.

Am Standort Finkenwerder betreibt Airbus den »Additive Manufacturing Speed Shop Hamburg«, in dem Anwendungen der FLM-Technologie (Fused Layer Manufacturing) erforscht und weiterentwickelt werden. Zudem können hier auch dringend benötigte Einzelteile gefertigt werden, die bereits in den Flugzeugen zum Einsatz kommen. Im Reference-Manufacturing-Shop im südenglischen Filton erforscht Airbus die Produktion von Metall-Flugzeugbauteilen im Pulverbettverfahren. Hier ist auch Fabian Kandels involviert, der als Projektleiter unter anderem für die Qualifizierung von Titanbauteilen verantwortlich ist. Als weitere Technologie erforschen Airbus-Ingenieure das Drahtauftragsschweißen im Hauptwerk Saint Eloi in Toulouse. Mit dieser Technologie sollen künftig zum Beispiel teurere Schmiede- und Frästeile aus Titan ersetzt werden.

Die Identifikation der Teile, die letztlich additiv gefertigt werden, erfolgt bei Airbus in mehreren Prozessstufen, wie Telgkamp erklärt. Im ersten Schritt geht es darum, mittels Additiver Fertigung Produktionskosten zu sparen, und um die zentrale Frage: Welche Bauteile lassen sich günstiger 3D-drucken als zum Beispiel fräsen oder spritzgießen? Im zweiten Schritt werden dann geometrische Formen verändert, um bestenfalls Gewicht zu sparen. Letztendlich sollen dann die Erkenntnisse auf die gesamte Airbus-Gruppe einschließlich der Bereiche Helikopter und Raumfahrt übertragen werden.

Da Airbus laut Telgkamp »kein Teileproduzent ist«, müssen Lieferanten wie Liebherr-Aerospace oder Premium Aerotec in den Entwicklungsprozess eingebunden und qualifiziert werden. »Die Airbus-Qualifizierung umfasst die Beschreibung des gesamten Prozesses einschließlich des Post-Processing«, erklärt Fabian Kandels. Zu den strengen Anforderungen zählt zum Beispiel, dass die Testlabore durch Airbus qualifiziert sind und die Lieferanten die Pulver nach den durch Airbus vorgegebenen Spezifikationen beziehen. Diese schreiben zum Beispiel Anforderungen wie chemische Zusammensetzung, Morphologie oder Fließeigenschaften vor.

Wie aufwendig der Prozess sein kann, zeigt das Beispiel Premium Aerotec: Der Zulieferer-Riese mit einem Jahresumsatz von 2 Mrd. Euro hatte im April 2019 die Gesamtprozessqualifikation für additiv gefertigte Titanbauteile auf Multilaser-Anlagen zum Abschluss gebracht. Zwei Jahre lange waren dafür »intensive Untersuchungen notwendig, um die komplexen Zusammenhänge des Prozesses ›Laser-Pulverbettschmelzen‹ sowie die Wechselwirkungen mit den notwendigen Folgeprozessen (z. B. Warmbehandlung, heiß-isostatisches Pressen) zu verstehen und zu beherrschen«, wie Premium Aerotec berichtete. Insgesamt wurde dabei mehrere Tausend Materialproben aufwendig in unterschiedlichen Testprogrammen geprüft.

Der Auswahlprozess für Zulieferer ist bei Airbus ein wichtiges Thema und ein permanenter Prozess, wobei der Flugzeughersteller »generell eine sehr restriktive Auswahl« habe, wie Telgkamp berichtet. Schließlich sei es die oberste Maxime, »pragmatisch und sicher zu produzieren, denn Flugzeuge sind die sichersten Transportmittel, da Sicherheitsvorschriften nicht verhandelbar sind«.

 

 

»Airbus«

Airbus ist ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich Luft- und Raumfahrt und in den dazugehörigen Dienstleistungen. Der Umsatz betrug 64 Mrd. Euro. im Jahr 2018, die Anzahl der Mitarbeiter rund 134.000. Airbus bietet die umfangreichste Verkehrsflugzeugpalette. Das Unternehmen ist europäischer Marktführer bei Tank-, Kampf-, Transport- und Missionsflugzeugen und eines der größten Raumfahrtunternehmen der Welt.