Suchen

Additive Fertigung Wie sicher ist der 3D-Druck?

| Autor/ Redakteur: Antonio Pagel, Jan Philip Speichert, Prof. Dr. Ralf God * / Dorothee Quitter

Damit additiv gefertigte Kunststoffbauteile während ihres gesamten Lebenszyklus eindeutig identifiziert werden können, wurde an der TU Hamburg die Integration von RFID-Transpondern in Bauteile aus Ultem untersucht.

Firmen zum Thema

Überprüfung der Echtheit eines aus Ultem gedruckten Belt Mold aus einem Airbus A300 bzw. A310 anhand eines monolithisch integrierten RFID-Tags.
Überprüfung der Echtheit eines aus Ultem gedruckten Belt Mold aus einem Airbus A300 bzw. A310 anhand eines monolithisch integrierten RFID-Tags.
(Bild: TU Hamburg)

In der Luftfahrtindustrie ist die additive Fertigung, oft kurz als 3D-Druck bezeichnet, in der Produktion angekommen. Additive Bau- und Ersatzteile aus Metall finden sich in Triebwerken und im Kraftstoffsystem von Flugzeugen. In der Kabine dominieren 3D-gedruckte Teile aus Kunststoff. Bionisch inspirierte, leichtere Bauteile, deren Fertigung mit herkömmlicher Technik nicht möglich war, fliegen ebenfalls. So können je nach Anwendungsfall die Herstellkosten, das Bauteilgewicht, der Materialverbrauch bei der Fertigung oder die Anzahl der Komponenten pro Bauteil gesenkt werden. Im neuen Flugzeugmuster A350 gibt es heute über 1000 3D-Druck-Bauteile!

Viele Vorteile, aber auch neue Risiken

Die additive Fertigung bietet im Lebenszyklus eines Systems viele Vorteile und Chancen: bei der Entwicklung und Konstruktion, bei der Flexibilisierung der Produktion, bei der Instandhaltung und Reparatur sowie bei der Logistik und der Lieferkette. Jedoch ergeben sich mit der voranschreitenden Digitalisierung und Vernetzung dieser Bereiche auch neue Herausforderungen und Risiken. Anzuführen sind hier z.B. der Schutz vor Bauteilfälschungen, das Urheber-, Patent- und Markenrecht sowie Produkthaftungs- und Gewährleistungsfragen. Auch sind bei einer digital vernetzten Produktions- und Lieferkette gezielte Angriffe auf die Daten und die Informationstechnik nicht völlig ausgeschlossen. Und deshalb existieren seitens der Behörden vielfältigste Regulierungen und Sicherheitsvorgaben, die in der Luftfahrt allesamt das Ziel haben, jedes erkennbare Risiko auszuschließen oder so zu minimieren, dass Verkehrsflugzeuge auch in Zukunft eines der sichersten Transportmittel bleiben.

Durchgängige Chain of Trust

Zur Erforschung, Vermeidung und Mitigation möglicher Risiken, welche die additive Fertigung in sicherheitskritischen Industrien mit sich bringen kann, beschäftigt sich ein Verbund aus Industriepartnern und Hochschulen mit der Etablierung einer durchgängigen Sicherheitslösung, genannt: SAMPL (Secure Additive Manufacturing PLatform).

Bildergalerie

Ziel ist die sichere Übermittlung, Lizenzierung und Verfolgung von Daten eines beim Konstrukteur entstehenden digitalen Werkes, über die Materialisierung als 3D-gedrucktes Bauteil, bis hin zur Nutzung, Wartung und Instandhaltung innerhalb eines ca. 30 Jahre dauernden Flugzeuglebens. Die Plattform soll auch den Rückfluss von Information aus dem realen Systembetrieb zum Bauteil- oder Systemhersteller ermöglichen, woraus sich dann Rückschlüsse auf die Nutzungsdauer und Qualität ziehen lassen. Der gesamte Prozess von der Entwicklung bis hin zur Entsorgung erfolgt über eine so genannte Chain of Trust. Innerhalb dieser werden die Daten von der Konstruktion verschlüsselt an den 3D-Druckdienstleister mit dessen gesichertem (d.h. trusted) 3D-Drucker kommuniziert. Die beim Druck entstehenden Produkte werden dann mittels eines elektronischen Sicherheitsmerkmals (d.h. einer elektronischen Identität, kurz eID) abgesichert. Dieses eID-Merkmal dient auch der späteren Bauteilverfolgung und Dokumentation im Lebenszyklus bis hin zur Entsorgung. Die Lizenzierung erfolgt mithilfe von so genannten Smart Contracts und wird über die Blockchain-Technologie, auf der auch bekannte Kryptowährungen basieren, realisiert. Der sichere Datenaustausch gelingt mithilfe des industriell bereits verbreiteten Standards Open DXM Global X des Projektpartners Prostep.

RFID als eID-Merkmal

Als eID-Merkmal für Flugzeugbauteile werden am Institut für Flugzeug-Kabinensysteme an der Technischen Universität Hamburg verschiedene nach dem Prinzip der Radiofrequenzidentifikation (RFID) funktionierende Transponder genutzt. Diese wurden in ein aus dem Hochleistungskunststoff Ultem additiv gefertigtes Flugzeugbauteil integriert und getestet. Exemplarisch wurde dazu ein Bauteil aus der Sitzschale der Flugbegleiterstation des Airbus A300 / A310, das sog. Belt Mold, ausgewählt. Für dieses Kunststoffbauteil besteht heute eine geringe, aber konstante Nachfrage, wobei die ursprünglichen Spritzgussformen nicht mehr verfügbar sind. Die additive Fertigung ist daher in diesem Fall die naheliegende und wirtschaftlich beste Lösung.

RFID ist ein automatisches Identifikationsverfahren, welches berührungslos über das elektromagnetische Feld digital kommuniziert. Ziel der Untersuchungen im Projekt SAMPL war die monolithische Integration von RFID-Tags, um drei zentrale Anforderungen an Sicherheitsmerkmale zu erfüllen. Dies sind Eindeutigkeit, Fälschungssicherheit und Dauerhaftigkeit. Erstere kann über die für einen Transponder nur einmal vergebene Tag-ID sichergestellt werden. Über Smart Contracts werden in der Blockchain die ID und vergebene Lizenzen sowie zusätzliche Informationen zum Bauteil dokumentiert. Für eine hohe Fälschungssicherheit ist eine verschlüsselte Kommunikation mit den RFID-Tags umsetzbar. Über die monolithische Integration und die kontaktlose Funktionsweise ist schließlich auch die Dauerhaftigkeit sichergestellt, weil Transponder und Bauteil nicht zerstörungsfrei voneinander getrennt werden können.

3D-Druck mit Ultem

Für die in der Luftfahrt eingesetzten Werkstoffe gelten strenge Anforderungen hinsichtlich der Brennbarkeit und des Brandverhaltens. Daher muss für den 3D-Druck ein Hochleistungskunststoff wie z.B. Ultem verwendet werden, der im Drucker Bauraumtemperaturen von durchgängig etwa 200 °C und für die Schmelzschichtung Extrusionstemperaturen von über 300 °C erfordert. Unter diesen Randbedingungen wurde eine Reihe verschiedener RFID-Transponder (vom Typ HF = 13,56 MHz als auch vom Typ UHF = 860…960 MHz) diverser Hersteller in Bauteile und Probekörper aus Ultem monolithisch integriert und getestet. Dabei konnten nach der Integration alle untersuchten Tags als funktionstüchtig erkannt und ausgelesen werden. Die Tags wurden bei Bauraumtemperatur nicht nur für die spezifische Druckzeit des hergestellten Belt Mold, sondern in entsprechenden Probekörpern auch für Druckdauern größerer Bauteile mit bis zu sieben Tagen Verweildauer im beheizten Bauraum des Druckers geprüft.

Diese Arbeiten zeigen, dass ein aus Hochleistungskunststoff gedrucktes Flugzeugbauteil mit einem RFID-basierten eID-Merkmal ausgestattet werden kann. Ein solches monolithisch integriertes, elektronisches Produktsicherheitsmerkmal stellt innerhalb der im Projekt SAMPL verfolgten Chain of Trust ein wichtiges Glied dar, weil damit das als Bauteil materialisierte digitale Werk eineindeutig identifizierbar bleibt und dann während der Nutzungsphase z.B. in einer Blockchain während seines gesamten Lebenszyklus verfolgt und dokumentiert werden kann. Der Ausdruck Chain of Trust veranschaulicht, dass nicht der vermeintliche Zustand absoluter Sicherheit, sondern das Vertrauen in eine sichere durchgängige Prozesskette eine Lösung ist. In diesem Kontext bietet die Secure Additive Manufacturing Platform SAMPL einen ganzheitlichen Lösungsansatz, welcher Sicherheit in der digitalen Welt mit Sicherheit in der realen Welt vereint. (qui)

Das könnte Sie auch interessieren:

SEMINARTIPP Im Seminar „3D-Druck in der direkten digitalen Fertigung“ der konstruktionspraxis-Akademie lernen die Teilnehmer verschiedene Verfahren des professionellen 3D-Drucks kennen und erhalten einen umfassenden Überblick zu den Entwicklungen, Möglichkeiten und Grenzen dieser Direct-Manufacturing-Technologie.
Info und Anmeldung: www.b2bseminare.de/konstruktion/3d-druck-in-der-direkten-digitalen-fertigung

* Antonio Pagel, Jan Philip Speichert, Prof. Dr. Ralf God: alle TU Hamburg, Institut für Flugzeug-Kabinensysteme

Artikelfiles und Artikellinks

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 45444907)