VOCUS liefert zertifizierte Flugzeug-Auspuffkomponente durch fortschrittliches Reverse Engineering und 3D-Druck

In der Luft- und Raumfahrtfertigung können unvorhersehbare Verfügbarkeitsengpässe und Qualitätsschwankungen bei kritischen Komponenten sowohl die Einsatzbereitschaft als auch die Sicherheit beeinträchtigen. Die in Augsburg ansässige VOCUS GmbH, ein innovativer Luft- und Raumfahrtzulieferer mit Spezialisierung auf Reverse Engineering und additive Fertigung, wurde mit einem anspruchsvollen Projekt betraut: der Neukonstruktion und Zertifizierung eines Gleitstücks für ein Flugzeugabgassystem.

Um einen vollständig zertifizierbaren und wiederholbaren Additive-Manufacturing (AM) Workflow zu realisieren, arbeitete VOCUS eng mit Materialise zusammen. Die Partner haben gemeinsam eine digitale Prozesskette etabliert, die nahtlos von der Aufbereitung der Konstruktionsdaten über die Build-Strategie bis hin zur Produktionsrückverfolgbarkeit reicht. Diese Prozesskette ist die Grundlage für die luftfahrtrechtliche Zulassung. Die Metallfertigung erfolgte auf einem industriellen EOS-Metallsystem, das die erforderliche Prozessstabilität für reproduzierbare Luftfahrtanwendungen bietet.

Das Originalbauteil, traditionell aus Flugzeugstahl geschweißt, wies Maßabweichungen, schweißbedingte Spannungszonen, operative Ineffizienzen durch manuelle Fertigung sowie eine begrenzte Lebensdauer auf. Ziel war die Entwicklung eines vorhersehbaren, digital gesteuerten und zertifizierbaren Fertigungsprozesses mit verbesserter Leistungsfähigkeit unter Einhaltung der strengen Anforderungen der EASA für eine Ergänzende Musterzulassung (Supplemental Type Certificate - STC).

Lösung

VOCUS verfolgte einen mehrstufigen Ansatz, der CT-basiertes Reverse Engineering, digitale Optimierung, additive Fertigung, umfangreiche Tests und eine vollständige Luftfahrtzertifizierung kombinierte.

Materialise unterstützte VOCUS dabei mit einer in der Luftfahrt bewährten Softwareumgebung. Die Zusammenarbeit stellte eine zuverlässige Bauvorbereitung, standardisierte Datenverarbeitung sowie eine durchgängige Dokumentation sicher – entscheidende Voraussetzungen für die Zertifizierung.

1. Reverse Engineering mittels CT-Scan: Durch hochauflösende industrielle Computertomografie wurden sowohl Innen- als auch Außengeometrien präzise erfasst und eine exakte digitale Grundlage für die Neukonstruktion geschaffen.
   
2. CAD-Rekonstruktion und -Optimierung: Basierend auf den CT-Daten rekonstruierten Ingenieure die Geometrie in CATIA und implementierten AM-spezifische Optimierungen, darunter: Reduzierung von Spannungsspitzen und Eliminierung schweißbedingter Übergangszonen, optimierte Lastübergangsradien, Verstärkung hochbelasteter Bereiche, gezielte Gewichtsreduzierung in unkritischen Zonen und homogene, schweißfreie Struktur zur Aufnahme zyklischer thermischer und mechanischer Belastungen.
3. Prototypenvalidierung in Polymer: Ein Polymerprototyp wurde additiv gefertigt, um Maßhaltigkeit und Passgenauigkeit zu überprüfen und die CAD-Genauigkeit vor Beginn der Metallfertigung sicherzustellen.
   
4. Metallfertigung mit EOS NickelAlloy und PBF/LB-M: Das finale Modell wurde auf einem EOS-Metallsystem gefertigt. Zum Einsatz kamen Materialise Magics für die Bauvorbereitung sowie der EOS Build Processor für die Systemintegration. Die Stabilität und Wiederholbarkeit der EOS-Plattform waren entscheidend für ein konsistentes Schmelzbadverhalten und zuverlässige Bauergebnisse. Pro Bauvorgang wurden sechs Gleitstücke sowie Materialtestcoupons zur kontinuierlichen Qualitätssicherung gefertigt.
   
5. Nachbearbeitung und Qualitätskontrolle: Der Nachbearbeitungsprozess umfasste Spannungsarmglühen, das Entfernen der Stützstrukturen, Präzisionsbearbeitung sowie Keramikperlenstrahlen. Zusätzlich führte VOCUS eine eindeutige Bauteilsignatur (Charge + Seriennummer) zur vollständigen Rückverfolgbarkeit über den gesamten Lebenszyklus ein.
   Gemeinsam mit Materialise implementierte VOCUS ein digitales Rückverfolgbarkeitssystem auf Basis von Streamics. Dieses zentrale Datenrückgrat verknüpft Maschinenparameter, Materialdaten, Nachbearbeitungsprotokolle und Prüfergebnisse zu einer einheitlichen, zertifizierungsfähigen Dokumentationsstruktur.
   
6. Boden- und Flugtests: Die EASA forderte zehn Stunden Bodentests – VOCUS absolvierte insgesamt 20 Stunden bei Binder Motorenbau und SOLO Aero Engines. Die Lastzyklen umfassten Kaltstart, Motorstart, fünf Minuten Volllast, drei Minuten Leerlauf und Abkühlung sowie Wiederholung.
   
7. Zertifizierung und Serienfreigabe: Die gesamte Produktions- und Dokumentationskette – Reverse Engineering, additive Fertigung, Nachbearbeitung und Qualitätssicherung – wurde im Rahmen einer EASA-STC zugelassen. Nach aktuellem Kenntnisstand zählt VOCUS zu den wenigen Unternehmen mit einer EASA-STC für ein additiv gefertigtes Metallbauteil aus Inconel und ist zur Herstellung und Lieferung für den Flugbetrieb berechtigt.
    

Ergebnisse

Durch dieses Projekt etablierte VOCUS einen zertifizierten, EN 9100- und ISO 9001-konformen Produktionsprozess mit EASA-STC-Zulassung. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen:

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

Die Kombination aus additiver Fertigung und digitalen Workflows ermöglichte VOCUS die Entwicklung einer sichereren, langlebigeren und besser zertifizierbaren Komponente als das konventionell gefertigte Pendant. Die robuste EOS-Plattform trug wesentlich zur hohen Prozesswiederholbarkeit und zu stabilen Fertigungsbedingungen bei.

„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 mit skalierbaren digitalen Infrastrukturen unterstützt werden.“

Stefan Gorkenant, Projektmanager, VOCUS GmbH

Weiterreichende Auswirkungen

Der Erfolg dieses Projekts verdeutlicht einen grundlegenden Wandel in der Luft- und Raumfahrtfertigung: Additive Fertigung ist längst nicht mehr ausschließlich großen OEMs mit umfangreichen F&E-Budgets vorbehalten. Unternehmen wie VOCUS zeigen, dass mit der richtigen Kombination aus ingenieurtechnischer Expertise, digital integrierten Workflows und konsequenter Qualitätskontrolle auch kleine und mittlere Unternehmen Luftfahrtstandard erreichen können. 
Durch die Zusammenarbeit mit Materialise und den Einsatz industrieller EOS-Systeme demonstrierte VOCUS, wie digital unterstützte Prozessketten diesen Wandel beschleunigen und zertifizierungsfähige additive Fertigung für KMU zugänglich machen.

Mit dem Einsatz verfügbarer AM-Technologien und etablierter Zertifizierungswege lieferte VOCUS nicht nur eine sicherheitskritische Abgaskomponente, sondern setzte zugleich ein Zeichen dafür, wie kleinere Unternehmen auf höchstem Niveau der Fertigungspräzision konkurrieren können. Dieser Ansatz ermöglicht es regionalen Zulieferern, Bestandskomponenten zu modernisieren, die Lebensdauer von Flugzeugen zu verlängern und Lieferketten widerstandsfähiger zu gestalten – bei gleichbleibender Kosteneffizienz und Designflexibilität.

Das Projekt dient damit als Fallstudie dafür, wie der demokratisierte Zugang zu fortschrittlichen Engineering-Werkzeugen und additiver Fertigung neue Innovationspotenziale in der gesamten Luft- und Raumfahrtbranche eröffnet. Exzellenz in der Luftfahrtfertigung wird nicht durch Unternehmensgröße definiert, sondern durch Vision, Präzision und kontinuierliche Verbesserung.

„Dass VOCUS die flugzertifizierte Serienproduktion erreicht hat, zeigt eindrucksvoll, wie leistungsfähig ein strukturierter digitaler Workflow sein kann. Gemeinsam haben wir bewiesen, dass Zertifizierung möglich ist, wenn ingenieurtechnische Kompetenz und softwaregestützte Qualitätssicherung Hand in Hand gehen.“

Tim Domagala, Forschungs- und Entwicklungsingenieur, Materialise

Über das Unternehmen

VOCUS GmbH