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Luft- und Raumfahrt: EADS und EOS - Studie zeigt Einsparpotenziale der Herstellungsprozesse in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Leicht, kosten- und ressourceneffizient – Untersuchung der Nachhaltigkeit des Direkten Metall-Laser-Sinterns von EADS Innovation Works (IW) und EOS

Untersuchte Bauteile: Grafik der konventionell im Stahlgussverfahren produzierten Halterung (links) und Halterung aus Titan, die mittels DMLS hergestellt wurde und über eine optimierte Topologie verfügt (Quelle: EADS)
Untersuchte Bauteile: Grafik der konventionell im Stahlgussverfahren produzierten Halterung (links) und Halterung aus Titan, die mittels DMLS hergestellt wurde und über eine optimierte Topologie verfügt (Quelle: EADS)
In den letzten 40 Jahren haben sich die Problemstellungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie verlagert: Ging es früher vor allem um die einfache und sichere Personenbeförderung, zählen heute auch Aspekte wie Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz. Wo Dädalus und Ikarus noch Federn und Wachs genügten, um ihren Traum vom Fliegen zu verwirklichen, sind heute für die Entwicklung und Konstruktion moderner Luftfahrzeuge hoch entwickelte Methoden und Technologien erforderlich.

EADS IW, das technische Kompetenzzentrum von EADS, untersucht stets neue Wege, um Produktionsprozesse zu verbessern. Eines der jüngsten Aktivitätsfelder ist der Einsatz des Direkten Metall-Laser-Sinterns (DMLS) – eine Technologie, die EADS IW nutzt, um die Vorteile eines nachhaltigen Herstellungsverfahrens und von Bauteilen mit optimierter Konstruktion zu erforschen. Mit DMLS werden Prototypen von Bauteilen wie Landeklappenscharniere für Airbus produziert.

 

Herausforderung 

Mit seiner Vision 2020 möchte EADS für das 21. Jahrhundert gerüstet sein. Neben Umweltaspekten als Schlüsselfaktoren zählen Nachhaltigkeit und Kostenreduzierung sowohl bei den Herstellungsprozessen als auch in der Betriebsphase der einzelnen Bauteile zu den Forschungsschwerpunkten. EADS IW als Kunde und EOS als Hersteller von DMLS-Systemen sind eine sogenannte Life-Cycle-Kooperation eingegangen. Die gemeinsame Studie gab ein besseres Verständnis für bestimmte Industrieanforderungen und einen Überblick über die technologischen Leistungen von EOS, was Qualität, Nachhaltigkeit und Umweltkriterien betrifft.

Da Qualität, Kosten und Umwelteffekte eine wesentliche Rolle bei der Entscheidung für Design- und Produktionslösungen spielen, definierte EADS IW neue Kriterien für den „Technology Readiness Level“ (TRL, dt.: Grad der Bereitschaft für neue Technologien) und setzte einen Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit. Der Bereich Forschung und Technologie muss bei der Luft- und Raumfahrtsparte von EADS neun TRL-Prozesse bestehen, bevor eine neue Technologie für die Verwendung in der Produktion als geeignet angesehen wird. Für jede TRL-Überprüfung wird ein bestimmter Reifegrad festgelegt; Kriterien sind Leistungsfähigkeit, Technik, Herstellung, Betriebsreife sowie Wertschöpfung und Risiken. In jedem dieser Kriterien müssen neue Komponenten existierende übertreffen.

Von der Studie wurde erwartet, dass CO2-Emissionen verringert und eine höhere Energie- und Rohstoffeffizienz sowie ein optimiertes Recycling erzielt werden können. Die Analyse des Energieverbrauchs berücksichtigte neben der Produktionsphase auch Aspekte wie Beschaffung und Transport der Rohmaterialien, den Argonverbrauch für den Zerstäubungsprozess des Metallpulvers und das Gesamtabfallaufkommen währenddessen.

Lösung 

Ein von EADS IW durchgeführtes „Streamline Life Cycle Assessment" (SLCA, dt.: Analyse der Umweltwirkungen von Produkten über die gesamte Lebenszeit hinweg) zeigte u. a. die potenziellen Vorteile der DMLS-Technologie hinsichtlich Kosten und Nachhaltigkeit während der Betriebsphase der Landeklappenscharniere des Airbus A320. EOS-Testergebnisse stützten die Daten von EADS IW und in einem weiteren Schritt auch Testergebnisse eines Rohstoffzulieferers (Metallpulver) – eine in dieser Ausführlichkeit bisher einzigartige Herangehensweise. Gemeinsam wurden die Informationen hinsichtlich der Umweltauswirkungen vertieft: Die neuen Scharniere sollten leichter sein, um den Energieverbrauch in der Einsatzphase signifikant zu senken.

Zunächst wurden die in Stahl gegossenen Scharniere mit den additiv gefertigten Teilen mit optimierter Konstruktion aus Titan verglichen. Messkriterium war der Energieverbrauch über die gesamte Lebensdauer. Mit DMLS konnte das optimierte Design umgesetzt werden – ein wichtiger Aspekt, da die Betriebsphase in der Regel 100 Mal so bedeutungsvoll ist wie die statischen Phasen (z. B. Herstellung des Teils). Der Energieverbrauch der Scharniere über ihre gesamte Lebenszeit einschließlich Herstellungs- und Betriebsphase konnte um fast 40 % gesenkt werden, trotz des höheren Energieverbrauchs beim Herstellungsprozess.

Im nächsten Schritt wurden die „statischen Phasen“ ausgewertet. Der Herstellungsprozess des konventionellen Bauteils wurde mit dem des von EADS weiterentwickelten Scharniers aus Titan verglichen. Das neuartige Bauteil wurde zunächst im Feingussverfahren und dann mit einem EOS-System hergestellt. Die Topologie des Bauteils wurde mit Software von Altair optimiert. Der Gesamtenergieverbrauch für die Herstellung des Scharniers ist geringfügig niedriger, wenn vom Feingussverfahren auf die Anlage von EOS gewechselt wird. Der Vorteil der EOS-Technologie: Es wird nur so viel Material verwendet, wie für das Bauteil nötig ist. Der Materialverbrauch kann somit um bis zu 75 % reduziert werden.

Ergebnisse

Die Studie konzentrierte sich nur auf den Vergleich zwischen DMLS und Feinguss, die Frage der Skalierbarkeit muss noch untersucht werden. Die Zusammenarbeit hat dennoch einige beeindruckende Ergebnisse hervorgebracht: Durch das optimierte Design der Landeklappenscharniere kann das Flugzeuggewicht um etwa 10 kg verringert werden. Das ist beachtlich, denn in der Luftfahrtindustrie zählt jedes Kilogramm. Außerdem wurden die CO2-Emissionen um fast 40 % und der Verbrauch an Rohmaterialien im Vergleich zum Feingussverfahren um 25 % reduziert.

„DMLS bietet eine Reihe von Vorteilen, da es die Konstruktionsoptimierung und die anschließende Herstellung in Kleinserie unterstützen kann. Die gemeinsame Studie hat belegt, dass DMLS das Potenzial hat, zugunsten der CO2-Bilanz leichte und nachhaltige Teile hervorzubringen“, sagt Jon Meyer von EADS IW. „Die Kooperation zwischen Kunde und Zulieferer ist bemerkenswert. Die offene Herangehensweise führte zu einem beispiellosen Informationsaustausch – eine neue Messlatte für zukünftige Studien über die Einführung und Implementierung neuer Technologien und Prozesse.“

Ein Teil des Projekterfolgs liegt in der unermüdlichen Suche nach Verbesserungen. Ein Beispiel dafür ist der Austausch der EOSINT M 270 durch die EOSINT M 280, die Titan statt Stahl verwendet und somit die CO2- Emissionen senkt. DMLS hat das Potenzial, zur Senkung des Gewichts künftiger Luftfahrzeuge beizutragen. Die Rohstoffeinsparungen sind verbunden mit mehr Nachhaltigkeit unter Beibehaltung aller Sicherheitsvorgaben.

Ein weiteres Beispiel für verbessertes Bauteildesign: Prototyp einer topologie­ optimierten Halterung eines Airbus A380, die im DMLS­ Verfahren aus Edelstahlpulver gefertigt wurde, und die herkömmliche Halterung im Hintergrund (Quelle: EADS).
Ein weiteres Beispiel für verbessertes Bauteildesign: Prototyp einer topologie­ optimierten Halterung eines Airbus A380, die im DMLS­ Verfahren aus Edelstahlpulver gefertigt wurde, und die herkömmliche Halterung im Hintergrund (Quelle: EADS).
„Die Designfreiheit und ökologische Aspekte sind die ausschlaggebenden Vorteile des DMLS. Wie unsere Studie mit EOS gezeigt hat, können wir sowohl Strukturen verbessern und zweckbestimmte Funktio­nalität einbinden als auch die Ökobilanz signifikant verbessern.“

„Mit Blick auf Ökologie und Design vermögen optimierte Strukturen das Gewicht von Teilen zu reduzieren, was die CO2­Emissionen senkt. Ich sehe ein gewaltiges Potenzial in der DMLS­-Technologie für zukünftige Luftfahrzeug­generationen, sowohl was die Entwicklung als auch die Herstellung anbelangt.“
Jon Meyer, Leiter des ALM-Forschungsteams bei EADS Innovation Works
 

Kurzprofil 

EADS ist weltweiter Marktführer in Sachen Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und damit verbundene Dienstleistungen. Im Jahr 2011 erzielte die Gruppe – bestehend aus Airbus, Astrium, Cassidian und Eurocopter – einen Umsatz von 49,1 Mrd. € und beschäftigte 133.000 Mitarbeiter.
 

Anschrift

EADS Innovation Works
Building 20A1
Golf Course Lane
Filton, Bristol BS34 7QQ (UK)
 

Kontakt 

Wiebke Jensen
EOS GmbH
Electro Optical Systems
Wiebke Jensen
Robert-Stirling-Ring 1
D-82152 München
Tel: +49 89 893 36 2485
wiebke.jensen@eos.info

Downloads und weiterführende Links

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