Leichte Flügel aus dem 3D-Drucker

Leichtbau­strukturen aus faser­verstärkten Kunst­stoffen, die neben der Luft- und Raumfahrt auch im Auto­mobilbau und der Windenergie­branche sehr gefragt sind, werden immer komplexer und indivi­dueller. Die rasante Entwicklung des 3D-Drucks schafft hier immer anspruchs­vollere Leicht­bauteile, deren Einsatz in der Faser­verbund­fertigung neue Möglich­keiten eröffnet. Unter dem Begriff AddComSTM – Additive Compo­site Structures – erforscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR nun, wie sich 3D-Druck­verfahren in bereits bestehende Produktions­techno­logien integrieren lassen. Bisher nicht effizient herstell­bare multi­materielle und mehr­skalige Werkstoffe sowie Strukturen und Systeme mit inte­grierten Funktionen, sollen somit in naher Zukunft leichter und kosten­günstiger rea­lisierbar sein. Erste Erfolge gibt es bei der Fertigung von Flügel­rippen für ultra­leichte fliegende Höhenplatt­formen sowie bei form­variablen Flügel­kanten.

„Welches 3D-Druck-Verfahren sich für welchen Anwendungs­fall am besten eignet, wollen wir nun genauer unter­suchen“, erklärt Hans Peter Monner vom DLR-Institut für Faser­verbund­leichtbau und Adap­tronik in Braun­schweig. „Mit einem neuen 3D-Druck-Labor haben wir uns nun die notwen­dige Basis geschaffen, um unser Forschungs­feld AddComSTM voran­zutreiben.“ Das Institut verfügt über jahr­zehnte­lange Erfahrungen in der Faser­verbund­fertigung, die mit der Anschaffung neuer 3D-Drucker nun ergänzt wird. Mit addi­tiven Verfahren, die 3D-Druck-Techno­logien mit klas­sischen Faser­verbund­fertigungs­techno­logien etwa dem Automated Fiber Placement kombi­nieren, können Faser­verbund­strukturen aus unter­schiedlichen Materia­lien mit verschie­densten Geometrien und Funktionen sogar ohne Formw­erkzeug herge­stellt werden. In dem Braun­schweiger Institut werden zukünftig die 3D-Druck­technologien Fused Deposition Modeling (FDM) sowie das Multi Jet Modeling (MJM) angewendet.

Erste Bauteile aus dem neuen Labor sind beispiels­weise Flügel­rippen für ein Solar-Hale-Flugzeug, einer fliegenden Plattform, die durch ihr geringes Gewicht allein durch Sonnen­energie aus Solar­zellen in der Luft gehalten werden kann. Die Rippen werden direkt durch eine Kombination von Carbon­endlos­fasern und einem thermo­plastischen Kunst­stoff gedruckt. „Nach konven­tioneller Bauart werden die Rippen ausgefräst. Der 3D-Druck ermöglicht uns dagegen eine kraftfluss­gerechte Verwendung der Fasern, wodurch weniger Fasern und Kunst­stoff verbaut werden müssen“, erklärt Monner. Das mache das Bauteil noch leichter.

Ein weiterer Anwendungs­fall sind form­veränder­liche Strukturen, die zukünftig im Bereich der Steuer- und Lande­klappen von Flugzeug­trag­flächen eingesetzt werden können, um Kraftstoff­einsparungen zu erzielen. Mit der Kombi­nation von festen und flexiblen Materia­lien ist mittler­weile der 3D-Druck form­ariabler Flügel­kanten möglich, die über elas­tische luftdruck­gesteuerte Zellen verfügen. „Die jeweils mit einem Hohlraum ausge­statteten Luftdruck­zellen sind gleich­zeitig stabil und flexibel“, sagt Monner. „Das ist mit keiner anderen Bauart zu erreichen.“

Um die automa­tisierte Fertigung solcher 3D-gedruckter Bauteile zukünftig weiter zu opti­mieren, wäre beispiels­weise eine spezieller 3D-Druck-Kopf auf einem gängigen Industrie-Roboter denkbar. So könnten verschiedenen Fertigungs­verfahren auf einem Bauteil kombi­niert werden. Monner sieht dafür viel Potenzial: „Die Vision geht dahin, dass die Produk­tion heutiger Faser­verbund­bauteile mittels Faser­ablege­köpfen mit den neuen Möglichkeiten des 3D-Drucks quasi verschmilzt.“ Dies erfordert eine neue ganzheit­liche Methodik mit inno­vativen Ansätzen für Material, Entwurf, Auslegung, Optimierung, Fertigung, Produktion bis hin zur Zerti­fizierung, welche die beste Kombi­nation aus verschiedenen Fertigungs­verfahren in jeder Phase berück­sichtigt. Die Grund­struktur könnte im klas­sischen Fibre-Placement-Verfahren aufgebaut werden und additiv könnten mit der neuen Techno­logie zusätz­liche Funktionen, wie Integrierte SHM-Systeme, leichte und akustisch opti­mierte Strukturen, leichtbau­gerechte Crash-Systeme, inte­grierte Antennen, integrierte Beleuchtung oder form­variable Eigen­schaften in das Bauteil hinein­gedruckt werden. „Durch den Wegfall eines Form­werkzeugs werden Kosten eingespart und der Varianten­vielfalt der Strukturen sind keine Grenzen mehr gesetzt“, blickt Monner in die Zukunft.

DLR / JOL