VOCUS liefert zertifizierte Flugzeugauspuffkomponenten dank fortschrittlichem Reverse Engineering und 3D-Druck

In der Luft- und Raumfahrtindustrie können unvorhersehbare Verfügbarkeits- und Qualitätsschwankungen bei kritischen Komponenten sowohl die Betriebsbereitschaft als auch die Sicherheit beeinträchtigen. Die VOCUS GmbH mit Sitz in Augsburg, ein innovativer Luft- und Raumfahrtzulieferer, der sich auf Reverse Engineering und additive Fertigung (AM) spezialisiert hat, wurde mit einem hochriskanten Projekt beauftragt: der Neukonstruktion und Zertifizierung eines Gleitteils für ein Flugzeugabgassystem.

Um einen vollständig zertifizierbaren und wiederholbaren Additive-Manufacturing-Workflow zu realisieren, arbeitete VOCUS eng mit Materialise zusammen. Gemeinsam etablierten die Partner eine nahtlose digitale Prozesskette, von der Vorbereitung der Konstruktionsdaten über die Fertigungsstrategie bis hin zur Rückverfolgbarkeit der Produktion, die das Rückgrat für die Zulassung in der Luft- und Raumfahrt bildet. Die Metallfertigung wurde auf einem industriellen EOS-Metallsystem durchgeführt, das die für wiederholbare Fertigungen in der Luft- und Raumfahrt erforderliche Prozessstabilität bietet.

Das Originalteil – traditionell aus Flugzeugstahl geschweißt – litt unter Maßabweichungen, durch Schweißnähte verursachten Spannungszonen, durch manuelles Schweißen bedingten Betriebseffizienzverlusten und einer begrenzten Lebensdauer. Die Aufgabe war klar: Entwicklung eines vorhersagbaren, digital gesteuerten und zertifizierbaren Fertigungsprozesses, der eine verbesserte Leistung bietet und gleichzeitig die strengen Anforderungen der EASA für die ergänzende Musterzulassung (STC) erfüllt.

Lösung

VOCUS verfolgte einen mehrstufigen Ansatz, der CT-basiertes Reverse Engineering, digitale Optimierung, AM-Fertigungsprozesse, strenge Tests und vollständige Luft- und Raumfahrtzertifizierung kombinierte.

Bei der Umsetzung dieses Ansatzes unterstützte Materialise VOCUS mit seiner in der Luft- und Raumfahrt bewährten Softwareumgebung. Die Zusammenarbeit gewährleistete eine zuverlässige Bauvorbereitung, standardisierte Datenverarbeitung und lückenlose Dokumentation – entscheidende Faktoren für die Erfüllung der Zertifizierungsanforderungen.

1. Reverse Engineering mittels CT-Scan: Mithilfe hochauflösender industrieller Computertomographie wurden sowohl die Innen- als auch die Außengeometrie mit hoher Präzision erfasst, wodurch eine exakte digitale Grundlage für die Neukonstruktion geschaffen wurde.
   
   
2. CAD-Rekonstruktion und -Optimierung: Auf Grundlage der CT-Daten haben Ingenieure die Geometrie in CATIA nachgebildet und Verbesserungen implementiert, die nur mit AM möglich sind, darunter:
   - Reduzierung von Spannungserhöhungen und Beseitigung von schweißbedingten Übergangszonen
   - Optimierte Belastungsradien
   - Verstärkung stark beanspruchter Bereiche
   - Gezielte Gewichtsreduzierung in unkritischen Bereichen
   - Homogene, schweißfreie Struktur zur Aufnahme zyklischer thermischer und mechanischer Belastungen
   
   
3. Prototypenvalidierung in Polymer: Ein Polymer-Prototyp wurde im 3D-Druckverfahren hergestellt, um die Maßgenauigkeit und Passform zu überprüfen und die CAD-Genauigkeit sicherzustellen, bevor mit der Metallfertigung begonnen wurde.
   
   
4. Metallfertigung mit EOS NickelAlloy und PBF/LB-M: Das endgültige Modell wurde auf einem EOS-Metallsystem unter Verwendung von Materialise Magics für die Bauvorbereitung und EOS Build für die Systemintegration hergestellt. Die Stabilität und Wiederholbarkeit der EOS-Plattform waren entscheidend für ein konsistentes Schmelzbadverhalten und zuverlässige Bau-Ergebnisse. Pro Bau wurden sechs Gleitteile zusammen mit Materialtestcoupons für die laufende Überprüfung hergestellt.
   
   
5. Nachbearbeitung und Qualitätskontrolle: Der Nachbearbeitungsprozess umfasste eine spannungsentlastende Wärmebehandlung, die Entfernung der Stützstrukturen, eine Präzisionsbearbeitung und ein Keramikstrahlen. Darüber hinaus führte VOCUS eine eindeutige Teilesignatur (Chargennummer + Seriennummer) ein, um eine lückenlose Rückverfolgbarkeit während des gesamten Lebenszyklus der Komponente zu gewährleisten. Zusammen mit Materialise richtete VOCUS ein optimiertes digitales Rückverfolgungssystem auf Basis von Streamics ein. Dieses zentrale Datenbackbone verbindet Maschinenparameter, Materialinformationen, Nachbearbeitungsprotokolle und Prüfergebnisse und schafft so eine einheitliche Dokumentationsstruktur, die für die Zertifizierung in der Luft- und Raumfahrt bereit ist.
   
   
6. Boden- und Flugtests: Die EASA schrieb 10 Stunden Bodentests vor – VOCUS absolvierte 20 Stunden bei Binder Motorenbau und SOLO Aero Engines. Die Lastzyklen umfassten: Kaltstart, Motorstart, 5 Minuten Volllast, 3 Minuten Leerlauf und Abkühlung, dann Wiederholung. Die Flugtests wurden von DreamWings auf einem Arcus-Flugzeug durchgeführt und umfassten 35 Stunden ohne Zwischenfälle. Heute sind die AM-Gleitteile in Deutschland, der Schweiz und Australien im Einsatz.
   
   
7. Zertifizierung und Serienfreigabe: Die gesamte Produktions- und Dokumentationskette – Reverse Engineering, AM, Nachbearbeitung und Qualitätssicherung – wurde im Rahmen einer EASA-Ergänzungs-Musterzulassung (STC) genehmigt. Nach aktuellem Kenntnisstand ist VOCUS eines der wenigen Unternehmen, das über eine EASA-STC für ein AM-Metallteil aus Inconel verfügt und zur Herstellung und Lieferung dieses Teils für den Einsatz in Flugzeugen berechtigt ist. 

Ergebnisse

Durch dieses Projekt hat VOCUS einen zertifizierten, EN 9100/ISO 9001-konformen Produktionsprozess erreicht, der gemäß EASA STC zugelassen ist. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören:

• Deutlich verbesserte Maßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit
• Homogene, schweißfreie Struktur mit hervorragendem Verhalten unter zyklischen Belastungen
• Vorhersehbarer und digital gesteuerter Fertigungsprozess
• Geringere Abhängigkeit von manuellen Schweißprozessen und speziellen Vorrichtungen
• Verlängerte Lebensdauer – geschätzt etwa 10-mal länger als bei der geschweißten Version
• Lückenlose Rückverfolgbarkeit über die gesamte Lebensdauer und Schutz vor nicht autorisierten oder gefälschten Teilen

Durch die Kombination von AM und digitalen Arbeitsabläufen konnte VOCUS eine sicherere, langlebigere und besser zertifizierbare Komponente liefern als das herkömmlich gefertigte Gegenstück. Die Robustheit der EOS-Plattform trug zu einer hohen Prozesswiederholbarkeit bei und unterstützte die Zertifizierungsbemühungen durch stabile, vorhersehbare Fertigungsbedingungen.

„Selbst kleine Unternehmen können modernste Fertigungstechnologien wie die additive Fertigung implementieren – entweder durch eigene Investitionen oder durch die Zusammenarbeit mit den richtigen Partnern, insbesondere wenn sie von erfahrenen Technologiepartnern unterstützt werden, die skalierbare digitale Infrastrukturen bereitstellen.“

Stefan Gorkenant, Projektmanager, VOCUS GmbH

Weiterreichende Auswirkungen

Der Erfolg dieses Projekts unterstreicht einen umfassenderen Wandel in der Luft- und Raumfahrtindustrie: Die additive Fertigung ist nicht mehr ausschließlich großen OEMs mit umfangreichen F&E-Budgets vorbehalten. Unternehmen wie VOCUS zeigen, dass mit der richtigen Mischung aus technischem Know-how, digitaler Workflow-Integration und disziplinierter Qualitätskontrolle auch kleine und mittlere Unternehmen Ergebnisse auf Luft- und Raumfahrtniveau erzielen können.
Durch die Zusammenarbeit mit Materialise und den Einsatz von EOS-Systemen in Industriequalität hat VOCUS gezeigt, wie digital unterstützte Prozessketten diesen Übergang beschleunigen und zertifizierungsfähiges AM für KMU zugänglich machen können.

Durch den Einsatz zugänglicher AM-Technologie und branchenüblicher Zertifizierungsverfahren lieferte VOCUS nicht nur eine wichtige Abgaskomponente, sondern schuf auch einen Präzedenzfall dafür, wie kleinere Unternehmen auf höchstem Niveau der Fertigungspräzision konkurrieren können. Dieser Ansatz ermöglicht es regionalen Zulieferern, ältere Komponenten zu modernisieren, die Lebensdauer von Flugzeugen zu verlängern und die Widerstandsfähigkeit der Lieferketten zu stärken – und das alles bei gleichbleibender Kosteneffizienz und Designflexibilität.

Letztendlich dient das Projekt mit dem Gleitteil als Fallstudie dafür, wie der demokratisierte Zugang zu fortschrittlichen Konstruktionswerkzeugen und additiver Fertigung neue Möglichkeiten für Innovationen in der gesamten Luft- und Raumfahrtbranche eröffnen kann. Es zeigt, dass Spitzenleistungen in der Luftfahrtfertigung nicht durch die Größe eines Unternehmens definiert werden, sondern durch Visionen, Präzision und das Engagement für kontinuierliche Verbesserungen.

„Die Tatsache, dass VOCUS die flugzertifizierte Serienproduktion erreicht hat, zeigt, wie leistungsfähig ein strukturierter digitaler Workflow sein kann. Gemeinsam haben wir bewiesen, dass eine Zertifizierung möglich ist, wenn technisches Know-how und softwaregestützte Qualitätssicherung Hand in Hand gehen.“

Tim Domagala, Forschungs- und Entwicklungsingenieur, Materialise

Über das Unternehmen

VOCUS GmbH