Print & Fly

Der Traum vom Fliegen geht weiter. Heute dreht er sich um das Flugzeug, das komplett aus dem 3D-Drucker kommt. Noch ist es nicht so weit. Doch ein Forscherteam von Liebherr kommt diesem Traum Schritt für Schritt näher.

Geschichtet für die Geschichte

„Das hätte ich auch nicht gedacht, wie gut mir mal Staubsaugen gefallen würde“, sagt Adrian Führer und flanscht den Schlauch des Saugers an die Maschine an. Er tippt mit dem Finger auf den Touchscreen. Das Gerät brummt los. Durch das Guckfenster sieht er, wie sich sein Werk aus dem grauen Staub erhebt. „Das ist jedes Mal ein großer Moment, wenn sich das Bauteil in seiner ganzen Pracht zeigt“, sagt er. Der Industriemechaniker betreut bei Liebherr-Aerospace den 3D-Drucker, richtet ihn für die Druckaufträge ein, befüllt ihn mit Titanpulver, bereitet den Laser für das computergesteuerte Schmelzen des Materials vor – und saugt zu guter Letzt das überschüssige Titanpulver auf. „3D-Druck finde ich wahnsinnig spannend. Als ich gefragt wurde, ob ich das Forscherteam unterstützen wollte, musste ich nicht lange überlegen. Ich habe sofort Ja gesagt“, stellt Adrian Führer fest.

Der 3D-Drucker steht im Liebherr-Werk Lindenberg im Übergang zwischen Fertigung, Versand und Montage. Ein von Glaswänden eingefasster Produktionsbereich, in dessen Mittelpunkt die übermannsgroße Druckmaschine mit ihrer Computersteuerung. Ein großer Monitor überträgt „live“ das Geschehen im Drucker. Immer wieder bleiben vorbeilaufende Mitarbeiter und Besucher stehen, um einen Blick auf die Zukunft industrieller Fertigungstechnik zu werfen. Vorn steht ein hochglänzendes Titanbauteil für einen Airbus A320. „Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie“ steht da zu lesen.

Mit großer Begeisterung berichtet Adrian Führer von seiner Arbeit. „Der Drucker baut ein Werkstück aus endlos vielen, gerade einmal 30 bis 60 Mikrometer dünnen Titanschichten auf“, sagt er. „Der Laser fährt exakt nach Konstruktionsmodellen über den Titanpuder und lässt ihn millimetergenau mit einem grellen Lichtpunkt einschmelzen. So baut sich das Werkstück Schritt für Schritt von unten nach oben auf.“ Für einen Ventilblock mit vielen verwinkelten Leitungen und Röhren, mit dessen Hilfe eine Flugzeuglandeklappe angesteuert werden kann, brauche der Drucker etwa 20 Stunden.

Zukunft 3D-Druck

3D-Druck – die Zukunft aus dem Laser-Schmelzer

Die Additive Fertigung bezeichnet einen Prozess, bei dem auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Aufschmelzen von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Immer häufiger wird der Begriff „3D-Druck“ als Synonym für die Additive Fertigung verwendet. Additive Fertigung beschreibt jedoch besser, dass es sich hier um ein professionelles Produktionsverfahren handelt, das sich deutlich von konventionellen, abtragenden Fertigungsmethoden unterscheidet. Anstatt zum Beispiel ein Werkstück aus einem festen Block herauszufräsen, baut die Additive Fertigung Bauteile Schicht für Schicht aus Werkstoffen auf, die als feines Pulver vorliegen. Als Materialien sind unterschiedliche Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe verfügbar.

Diese Fertigungsmethode findet unter anderem im Rapid Prototyping Verwendung – dem Bau von Anschauungs- und Funktionsprototypen. Produktentwicklung und Markteinführung lassen sich dadurch entscheidend verkürzen. Mittlerweile hält die Additive Fertigung zunehmend Einzug in die Serienfertigung. Sie eröffnet großen OEM-Herstellern aus unterschiedlichsten Industriezweigen die Möglichkeit, sich am Markt zu differenzieren – im Hinblick auf neue Kundennutzen, Kostenreduktionspotenziale oder zum Erreichen von Nachhaltigkeitszielen.

CAD-Daten

Pulver

Absaugen

Laser

Freiformen

Freiformen – Schicht für Schicht revolutionäres Design

Viele komplexe Geometrien lassen sich mit konventionellen Technologien wie Fräsen, Drehen oder Gießen nur bedingt oder zu hohen Kosten herstellen. Die Additive Fertigung hingegen ermöglicht die Konstruktion und Herstellung von hochfesten Leichtbaustrukturen, an denen konventionelle Produktionsverfahren scheitern. Damit bietet sie Konstrukteuren und Designern größtmögliche Konstruktionsfreiheit und ermöglicht die Herstellung extrem komplexer Strukturen. Jede erdenkliche, mit einem 3D-CAD-Programm konstruierbare Form lässt sich so fertigen. Es gibt keinerlei Einschränkung – auch nicht bei der Herstellung hohler Strukturen. Das ist möglich, weil nur an den Stellen Material aufgeschmolzen wird, an denen dies in der CAD-Konstruktion auch vorgesehen ist.

Ein großer Vorteil liegt in ganz neuen Möglichkeiten der Funktionsintegration. Dank der werkzeuglosen Laser-Technologie können alle benötigten Bauteile in einem Schritt hergestellt werden – inklusive funktionaler Komponenten wie Ventilblöcke, Reservoirs, Zylindergehäuse, Filter. Ein Großteil der sonst nötigen Montageschritte fällt dadurch weg. Dies spart Geld, Gewicht, Bauraum, vereinfacht die Logistik und minimiert die Fehlerwahrscheinlichkeit in der Produktion.

Pulver

Alles aus Pulver – der Stoff, aus dem die Zukunft ist

Titan ist ein Metall mit einer ganzen Reihe von Vorteilen. Es ist nicht nur leicht und mechanisch stabil, es ist auch biokompatibel und hat eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit. Deswegen ist Titan in Hightech-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, in der Weltraumforschung und auch in der Medizin ein sehr gefragter Werkstoff für additive Fertigungsverfahren. In Lindenberg kommt vor allem Titan Ti6Al4V, eine für die Luftfahrt besonders geeignete Legierung, zum Einsatz. Die Kollegen in Toulouse verarbeiten vor allem Nickellegierungen oder auch Kunststoffe.

Zukunftsmusik

„Gibt’s nicht“ gibt’s nicht – etwas verrückt anmutende Errungenschaften aus dem noch jungen 3D-Druck-Kosmos

3D-Druck gibt es seit über 20 Jahren. Seither beflügelt diese Technologie die Fantasie von Forschern und Entwicklern. Was heute noch eine kühne Vision ist, könnte morgen schon den Weg zu einer spannenden Spielart des Fortschritts ebnen.

Kleidung

Die Idee hatten Studenten aus San Francisco während ihres Studiums, als sie sich mit der Methode zur Herstellung von Blutgefäßen aus kardiovaskulärem Gewebe beschäftigten. Bisher wurden Tanktops, Röcke sowie ein Beanie mit der Technologie hergestellt. Das dafür verwendete Material besteht aus Nano-Fasern einer Polyester-Baumwoll-Mischung. Derzeit gibt es allerdings nur weißes Material, es wird aber an verschiedenen Farben sowie weiteren Materialien wie Seiden- und Acrylmischungen gearbeitet.

Essen

Ein Computer ist dazu mit einer technischen Applikation ausgestattet, die es erlaubt, eine Idee in ein echtes Produkt umzuwandeln. Lebensmitteldrucker werden mit Lebensmitteln „gefüttert“, die verschiedentlich kombiniert, angeordnet und designt werden können. Die größte Gruppe von Lebensmittelpatronen basiert auf aromatisierten, gefärbten Inhaltsstoffen. Doch längst hat sich auch die Zugabe von frischen, natürlichen Produkten etabliert, aus denen zum Beispiel Schokolade hergestellt werden kann. Mittlerweile servieren schon erste Restaurants Menüs aus dem 3D-Drucker.

Organe

Rein technisch lassen sich schon länger nicht nur Metall und Plastik, sondern auch biologische Gewebe, ja sogar ganze Organe drucken. Dazu werden lebende Zellen zusammen mit Nährstoffen und Gelatine zu einer Art „Bio-Tinte“ vermengt. Die gedruckten Zellen verbinden sich miteinander und bilden komplexe Strukturen. Der große Durchbruch ist allerdings noch nicht gelungen.

Mondstation

Die Europäische Raumfahrtbehörde ESA arbeitet mit 3D-Druckverfahren am Bau eines Mondhabitats. Das Londoner Architekturbüro Foster+Partners hat dazu eine lasttragende „katenoide“ Kuppel entwickelt, die eine zellenförmig strukturierte Wand zur Abwehr von Mikrometeoriten und Weltraumstrahlung besitzt und mit einem aufblasbaren Druckkörper zum Schutz der Astronauten ausgestattet ist.

Mit der Evolution im Bunde

Die Rollen am Bürostuhl von Johannes Walter sind eine lohnende Investition. Immer wieder stößt er sich mit einem kräftigen Fußtritt ab und saust die zwei Meter hinüber zu Stefan Hermann. Die beiden sitzen im Büro Rücken an Rücken und haben gerade viel Gesprächsbedarf. Stefan Hermann ist Simulationsingenieur. Auf seinem Bildschirm hat er ein komplexes Strukturgeflecht. „Das hat sich die Evolution ausgedacht“, sagt er. „Die Struktur ist einer Baumwurzel nachempfunden. Sie findet mit ihren Verästelungen immer die richtige Balance zwischen Materialeinsatz, Festigkeit und Versorgung des Baums. Wofür die Evolution Millionen von Jahren gebraucht hat, konnten wir den Rechner nutzen, um nach dem gleichen Optimierungsprinzip daraus eine Leichtbau-Verbindung für ein Fahrwerkbauteil für ein Flugzeugs zu konstruieren“, erklärt Hermann.

Deswegen ist auch Johannes Walter bei ihm vorgefahren. Der Konstrukteur spielt mit dem Simulationsingenieur den kreativen Doppelpass. Walter macht aus Hermanns Berechnung eine Form, die am Ende in das Fahrwerk verbaut wird. Das von ihm aufgebaute Bauteil sieht auf seinem Rechner aus wie ein Halbmond, dessen Oberfläche löchrig ist wie ein Schweizer Käse. „Das spart Material und Gewicht“, sagt Walter, „und nutzt die idealtypisch berechneten Festigkeitsstrukturen.“ So ließe sich im CAD nahezu jede Form darstellen und dann im 3D-Druck hundertprozentig exakt so fertigen, wie sie die Entwickler für die angestrebte Funktion bräuchten.

Wir vermessen und dokumentieren jeden noch so kleinen Schritt im Aufbau des Bauteils. Fehler sind keine Option.
Alexander Altmann

Die beiden Tüftler gehören zum sechsköpfigen Team von Alexander Altmann, dem Leiter des Projekts Additive Manufacturing / Research & Technology, das Liebherr vor sechs Jahren in Lindenberg an den Start gebracht hat. „3D-Druck ist eine über 20 Jahre alte Technologie, die zuletzt einen ungeheuren Aufschwung genommen hat und speziell im Flugzeugbau hochinteressante Perspektiven zeigt“, sagt Altmann. „Kürzlich ist ein Spoiler-Aktuator-Ventilblock, den wir per 3D-Druck hergestellt haben, in einem A380 getestet worden. Die erste 3D-gedruckte Hydraulikkomponente der primären Flugsteuerung, die jemals in einem Airbus zum Einsatz kam! Genauso leistungsfähig wie ein herkömmlich hergestellter Ventilblock, aber um 35 Prozent leichter.“

Nachdem die Anforderungen an Flugzeugbauteile enorm hoch seien, gehe es ihm und seinem Team vor allem darum, die additiven Fertigungsverfahren bis ins letzte Detail zu verstehen und absolut verlässliche Produktionsprozesse aufzusetzen. „Wir vermessen und dokumentieren dazu jeden noch so kleinen Schritt im Aufbau des Bauteils. Fehler sind keine Option. Die Bauteile und ihr Material erlauben nicht den kleinsten Zweifel an der Zuverlässigkeit und Sicherheit.“

Lust auf Zukunft

Das Team von Alexander Altmann hat sich zum Jour fixe im Konferenzraum versammelt. André Danzig ist erst seit eineinhalb Jahren im Team. Und doch ist der promovierte Physiker eine Art „Urgestein“ der Additiven Fertigung. Bevor er nach Lindenberg kam, hat er über 15 Jahre bei einem 3D-Drucker-Hersteller gearbeitet. Dann wollte er einmal näher die Anwenderseite kennenlernen. „Was sagt uns die Simulation? Wie kriegen wir die Stabilität der Konstruktion hin, wenn wir nicht nur die einzelnen Komponenten drucken, sondern das gesamte Steuerelement und dabei alle Funktionen integrieren?“, will Danzig wissen. Stefan Hermann hat das alles schon berechnet und sich dazu auch bereits mit dem Designer ausgetauscht. „Wir kriegen das auf jeden Fall hin“, sagt Hermann und stellt dem Team die entsprechenden Überlegungen vor.

Das gefällt Alexander Altmann: „Der 3D-Druck wird nicht nur Flugzeugkomponenten und ganze Flugzeugstrukturen grundlegend verändern, sondern auch weitere Produkte wie Autos und Spielzeuge. Selbst die Herstellung von Lebensmitteln und medizinischen Implantaten wird möglich sein. Ich bin sicher: Die Auswirkungen in den nächsten 20 Jahren werden gigantisch sein.“

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