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Additive Fertigung

Leichtbau-Sitzrahmen spart bis zu 550 kg Gewicht

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Autodesk hat für Verkehrsflugzeuge einen Leichtbau-Sitzrahmen generativ gestaltet, der pro Flugzeug bis zu 550 kg Gewicht und dadurch Treibstoff in Millionenhöhe einspart.

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Autodesk hat im Pier 9 Technologiezentrum in San Francisco einen generativ gestalteten Leichtbau-Sitzrahmen für Verkehrsflugzeuge entwickelt. Das Projekt vereint klassische Fertigungsmethoden und modernen Technologien wie generatives Design und industriellen 3D-Druck.
Autodesk hat im Pier 9 Technologiezentrum in San Francisco einen generativ gestalteten Leichtbau-Sitzrahmen für Verkehrsflugzeuge entwickelt. Das Projekt vereint klassische Fertigungsmethoden und modernen Technologien wie generatives Design und industriellen 3D-Druck.
(Bild: Autodesk)

Generatives Design und 3D-Druck sind für die meisten Unternehmen noch Neuland. Viele von ihnen warten, bis additive Fertigungstechnologien weiter ausgereift sind. Dafür gibt es praktische Gründe. So können Hersteller bei der additiven Metallfertigung heute in der Regel noch immer auf weniger als ein Dutzend verfügbare Materialien zurückgreifen. Beim klassischen Metallguss stehen ihnen dagegen hunderte verschiedene Legierungen zur Verfügung. Darüber hinaus lassen sich im Metallguss riesige Bauteile anfertigen, während Metalldrucker eher auf kleine Teile beschränkt sind. Ein weiterer gewichtiger Faktor ist der mit dem Fertigungsverfahren verbundene Kosten- und Zeitaufwand. Anlagen für direktes Laserschmelzen sind äußerst kostspielig und die dort produzierten Bauteile erfordern ein hohes Maß an Nachbearbeitung. Auch die Zertifizierung von 3D-gedruckten Teilen ist schwierig. Der Metallguss hingegen ist ein wohlbekannter und bewährter Prozess. Trotz Vorteilen additiver Fertigung, wie der Möglichkeit zur Herstellung besonders komplexer Strukturen, lässt sich im klassischen Metallgussverfahren in vielen Fällen heute noch eine Menge Zeit und Geld sparen.

3D gedruckte Gussform ermöglicht Massenproduktion mit generativem Design

Ihr volles Potential entfalten Metallguss und additive Fertigung deshalb erst in Kombination. Mithilfe von generativem Design und digitaler Optimierung können etwa Hochleistungsstrukturen per spezialisierter Software entworfen werden, die durch eine metalllose additive Fertigung zunächst als Gussform umgesetzt werden. Anschließend sorgen moderne Gießverfahren unter Verwendung des passenden Metallmaterials für die endgültige Form. Ein eindrucksvolles Beispiel für die wirksame Kombination beider Verfahren ist ein im Autodesk Pier 9 Technologiezentrum in San Francisco entwickelter, generativ gestalteter Leichtbau-Sitzrahmen für Verkehrsflugzeuge. Das Projekt vereint klassische Fertigungsmethoden und modernen Technologien wie generatives Design und industriellen 3D-Druck.

„Die additive Fertigung hat ein riesiges Potential, die Zukunft der Produktion zu bestimmen. Für Produktentwickler und Konstrukteure ist sie aber immer noch ein extrem neues Konzept. Das Metallgussverfahren wurde dagegen über Jahrtausende perfektioniert. Zahllose Experten, Ingenieure, Gießereien und Fabriken verfügen hier über tiefgreifendes Fachwissen. Das ist unglaublich wertvoll, gerade auch bei besonders aufwändig zu fertigenden Bauteilen wie unserem Sitzrahmen“, erklärt Andreas Bastian, Principal Research Scientist bei Autodesk.

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Der gefertigte Sitzrahmen beruht auf einem durch einen Software-Algorithmus in Autodesk Netfabb generativ entwickelten Entwurf. Die Serienproduktion des Bauteils erfolgt in einem hybriden Fertigungsverfahren aus additivem 3D-Druck und klassischem Metallgussverfahren.

Sitzrahmen aus Magnesium spart 35 % Gewicht gegenüber der Aluminiumvariante

Für die Fertigung der Sitzrahmen holten sich die Entwickler von Autodesk Unterstützung von einer spezialisierten Partnerfirma: der Gießerei Aristo Cast in Michigan. „Wir waren gleich von der Idee von Andreas und Autodesk begeistert. Auch wir haben dabei viel über fortschrittliches Design und Optimierungsmöglichkeiten im Fertigungsprozess gelernt. Beides sind für unsere Branche noch weitgehend neue Ansätze“, erklärt Paul Leonhard Vize Präsident von Aristo Cast. Anstatt wie zunächst geplant bei der Herstellung des Sitzrahmens auf das im Flugzeugbau weitverbreitete Aluminium zu setzen, empfahlen die Experten aus Michigan eine Fertigung aus Magnesium. Dies versprach eine zusätzliche Gewichtsersparnis von 35 Prozent gegenüber einer Aluminiumvariante.

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Für das hybride Fertigungsverfahren druckt das verantwortliche Team zunächst ein Kunststoffmodell des Sitzgestells, das dann mit Keramik überzogen wird. Anschließend kann der Kunststoffanteil weggeschmolzen und flüssiges Magnesium in die so entstandene Keramikform gegossen werden. Das Ergebnis ist ein Sitzgestell, das aufgrund des verwendeten Materials und der generativ erzeugten Gitterstruktur 56 Prozent leichter als derzeit im Flugzeugbau gängige Modelle ist. In der Luftfahrt, in der jedes Gramm zählt, kommt das einer Revolution gleich. Würde man einen 615 Sitzplatz starken Airbus A380 mit Sitzen dieser Art ausstatten, ließen sich innerhalb eines Jahres Treibstoffkosten in Höhe von 100.000 US-Dollar sparen.

Das Projekt räumt dabei auch mit dem Mythos auf, die Herstellung von Bauteilen per Metallguss dauere rund anderthalb Jahre. Tatsächlich benötigt ein Unternehmen im beschriebenen Verfahren gerade einmal zwei Tage für die Herstellung des Endprodukts – weniger Zeit sogar, als dies in vielen Fällen mit Metalldruck der Fall wäre.

Feinguss-Verfahren und generatives Design sparen Kerosin und Kosten

Das spezielle Gieß- und Ausschmelzverfahren erlaubt dazu Detailtreue im Submillimeterbereich. Schon ein Fingerabdruck auf dem Modell wäre später auf dem Endprodukt sichtbar. Für die Luftfahrtindustrie bietet diese Herangehensweise ungeahnte Möglichkeiten – und könnte damit langfristig enorme Mengen an Kerosin, CO2 und Kosten einsparen. In einem Airbus A380 würde die Verwendung der Sitzrahmen eine Gewichtsersparnis von 557 Kilogramm bedeuten, was pro Jahr und Flugzeug 63 Tonnen Kerosin und 190 Tonnen CO2 einspart. Umgerechnet auf eine Flotte von 100 Flugzeugen und eine Zeit von zwanzig Jahren sind das 126.000 Tonnen CO2 – und über 200 Millionen Dollar Treibstoffkosten. (jup)

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