Additive Fertigung Technologische Höhenflüge für die nachhaltige Luftfahrt

Anbieter zum Thema

Autodesk GmbH

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

invenio AG

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Der Flugverkehr muss effizienter und CO₂-ärmer werden. In einem Forschungsprojekt wird deshalb daran gearbeitet, Flugzeuge mit Technologien wie additiver Fertigung und generativem Design leichter zu machen und so Treibstoff und Material einzusparen. Ein Turbinenzwischengehäuse demonstriert bereits das Potenzial.

Am 17. Dezember 1903 gelang den Brüdern Orville und Wilbur Wright der erste kontrollierte Flug mit einem motorisierten Flugzeug. Doch so kurz der Flug war, so groß war auch seine Wirkung: Fast 120 Jahre später gehört die Luftfahrtindustrie zu den bedeutendsten globalen Wirtschaftszweigen. Sie umfasst 87,7 Millionen Arbeitsplätze, ist an mehr als einem Drittel aller Handelstransaktionen beteiligt und für 4,1 Prozent des weltweit erwirtschafteten Bruttoinlandsprodukts (BIP) verantwortlich. Das macht die Flugindustrie allerdings auch zu einer der größten Quellen für Umweltverschmutzung. CO₂-Emissionen aus der Luftfahrt machen rund 2 bis 3 Prozent der globalen Treibhausgasemissionen aus. Zudem ist die Auswirkung von Flugzeugemissionen in großen Höhen weitaus gravierender, da sie zur Bildung von Kondensstreifen und damit zur Erderwärmung beitragen – trotz Verbesserungen in der Kraftstoffeffizienz der Flugzeuge und der Einführung von nachhaltigem Flugkraftstoff.

Leichtere Bauteile dank additiver Fertigung und generativem Design

Das Clean Aviation Joint Undertaking (CAJU), also das gemeinsame Unternehmen für saubere Luftfahrt der Europäischen Union, hat sich dieser besonders herausfordernden Aufgabe angenommen. Es knüpft an das Vorgängerprogramm Clean Sky 2 an und zielt darauf ab, die Netto-Treibhausgasemissionen des Flugverkehrs bis 2030 um mindestens 30 Prozent zu reduzieren. Mit beachtlichen Investitionen von 4 Milliarden Euro in Forschungsprojekte, die die Treibstoffeffizienz steigern sollen, hat die Initiative bereits bedeutende Beiträge geleistet.

Ein Lösungsansatz, der dabei erforscht wird, ist es, Flugzeuge leichter zu gestalten, sodass signifikante Einsparungen bei Treibstoff und Fertigungsmaterialien erzielt werden können. Dabei kommen Technologien wie additive Fertigungstechnik und KI-gestütztes generatives Design zum Einsatz:

• Dank der additiven Fertigung wird die Realisierung komplexer Strukturen möglich, die mit traditionellen Methoden nicht herstellbar wären und die gesteigerte Funktionalität mit kompakter, platzsparender Bauweise kombinieren.

• In Verbindung mit Generativem Design, das alle Rahmenparameter einbezieht und deren Optimum ermittelt, kann so ein bedeutender Beitrag zur Reduzierung der Umweltauswirkungen der Luftfahrt erzielt werden.

Generatives Design

Fahrzeuge leicht gemacht – dank KI

Mehr als 100 Komponenten in einem Teil integriert und gedruckt

Ein internationales Team aus Industrie und Forschung, bestehend aus Autodesk, General Electric, der TU Dresden und der TU Hamburg-Harburg, hat auf diese Weise eine neuartige Triebwerkskomponente entwickelt, die zur Verringerung der Umweltauswirkungen in der Luftfahrt beitragen könnte: Im Rahmen des MOnACO-Projekts hat das Team mithilfe von Autodesk Fusion 360 ein Turbinenzwischengehäuse entwickelt, das die über 100 Eingangskomponenten in einem einzigen additiv gefertigten Bauteil integriert – bisher wird dieses wichtige Bauteil mit subtraktiven Verfahren hergestellt. Die Mission des internationalen Forschungsteam war es, dies mithilfe neuartiger Designtechnologien zu ändern – und mithilfe additiver Fertigung den Materialverlust auf unter ein Prozent zu senken.

Autodesk Fusion 360 ermöglichte es dem Forschungsteam, mit verschiedenen Materialien und Produktionsmethoden zu experimentieren und verschiedene Designoptionen zu erstellen:

• Das resultierende Bauteil, ein Turbinenzwischengehäuse mit einem Durchmesser von einem Meter, ist eines der größten einteiligen Triebwerkskomponenten aller Zeiten.

• Es weist eine Gewichtsreduktion von über 30 Prozent gegenüber dem ursprünglichen Gehäuse auf, was einen bedeutenden Schritt zur Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen in der Luftfahrt darstellt.

• In der vierten Designiteration wurde zudem ein Gitterdesign entwickelt, das eine verbesserte Wärmeabfuhr des Bauteils im Betrieb ermöglicht. Dieses Design wurde mithilfe von Autodesk Volumetric Kernel erstellt, einem neuen Werkzeug in Fusion 360 zur Gestaltung komplexer Geometrien.

Die vielversprechenden Potenziale des Turbinenzwischengehäuses stoßen bereits auf hohe Resonanz bei den Verantwortlichen in der Luftfahrttechnik. Das Gehäuse demonstriert eindrucksvoll, dass dank generativem Design und additiver Fertigung großformatige Bauteile und Komponenten effizient hergestellt werden können. Sie eignen sich daher auch für die Fertigung weiterer Triebwerksteilen, mit dem Ziel, die Effizienz der Herstellungsprozesse durchweg zu steigern. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens: Die Reduktion der benötigten Bauteile senkt auch Montagekosten und sonstigen Arbeitsaufwand signifikant.

Konstruktionsleiter Forum

Produktentwicklung neu denken

Der Schlüssel für den Erfolg eines Unternehmens liegt in Konstruktion und Entwicklung. Hier entstehen innovative Produkte, die die Wettbewerbsfähigkeit sichern. Doch kennen Sie die Herausforderungen der Produktentwicklung im 21. Jahrhundert?

Das Konstruktionsleiter Forum will Konstruktions- und Entwicklungsleiter für Hürden sensibilisieren, sowie Tools und Methoden aufzeigen, um innovative Ideen strukturiert zu entwickeln und den Produktentstehungsprozess so schlank und effizient wie möglich zu gestalten.

Jetzt informieren

Erste Prototypen für eine nachhaltigere Luftfahrt

Die Turbinenkomponente wurde kürzlich auf der Hannover Messe am Autodesk-Stand ausgestellt. Sie wurde mit der A.T.L.A.S.-Anlage (Additive Technology Large Area System) von GE Additive gedruckt. Für das Team des MOnACO-Projekts ist das Turbinenzwischengehäuse allerdings nur der Anfang und sie arbeiten bereits an der nächsten Phase des Projekts, die die Entwicklung und den Test von Prototypen der neu gestalteten Triebwerkgehäuse umfasst. Wenn diese Tests erfolgreich sind, könnten in nicht allzu ferner Zukunft Flugzeuge in Betrieb genommen werden, die mit diesen leichteren und effizienteren Teilen ausgestattet sind.

Forschungsprojekt

3D-gedruckte Bauteile sollen Luftfahrt nachhaltiger machen

Weitere Themen im Fokus: Flugrouteneffizienz, erneuerbare Kraftstoffe und emissionsfreie Antriebe

Kürzere Markteinführungszeiten und höhere Produktionsraten spielen eine entscheidende Rolle im Rahmen der von der Initiative verfolgten Mission, die bisherige europäische Flugzeugflotte bis 2035 durch umweltfreundlichere Modelle zu ersetzen und somit dafür zu sorgen, dass der Flugverkehr bis zum Jahr 2050 um 75 Prozent klimafreundlicher gestaltet wird. So wird auch ein essenzieller Beitrag dazu geleistet, die Ziele des Europäischen Green Deal einzuhalten, der eine klimaneutrale Wirtschaft bis 2050 anstrebt. Jede Verbesserung in den Bereichen Entwicklung und Fertigung bringt das Erreichen dieser Ziele in greifbare Nähe.

Natürlich ist die Reduzierung des Gewichts und damit des Treibstoffverbrauchs nur eine von vielen Maßnahmen, die erforderlich sind, um die Umweltauswirkungen des Luftverkehrs zu verringern, andere wichtige Schritte umfassen etwa die Verbesserung der Flugrouteneffizienz, den Übergang zu erneuerbaren Kraftstoffen und schließlich die Entwicklung emissionsfreier Antriebstechnologien.

Elektromobilität

Neue Superbatterie soll elektrisches Fliegen ermöglichen

Der Weg in eine grüne Zukunft

Während wir uns jedoch weiter den Herausforderungen des Klimawandels stellen, sind es Erfolge wie das MOnACO-Projekt, die uns zeigen, dass wir bereits über die notwendigen Technologien und Fähigkeiten verfügen, um dringende Veränderungen sofort vorzunehmen und eine nachhaltigere Welt für alle zu schaffen. Der Weg in eine grüne Zukunft ist zwar noch lang und birgt einige Herausforderungen, aber mit dem Engagement und der Kreativität von Teams wie dem MOnACO-Projektteam und der Unterstützung durch innovative Technologien wie Generatives Design und Additive Fertigung sind wir gut positioniert, um diese Hürden zu meistern. Es bleibt spannend, wie sich die Technologien in den kommenden Jahren weiterentwickeln und welchen Einfluss sie auf die Luftfahrt und andere Branchen haben werden.

* Jan Niestrath ist als Industry Manager für den Maschinen- und Anlagenbau bei Autodesk tätig.

(ID:49487381)