„OEMs werden immer mehr AM-Bauteile in Flugzeuge integrieren“

Lufthansa Technik und Premium Aerotec haben ein Triebwerksersatzteil aus additiver Fertigung zertifizieren lassen. Knackpunkte und Potenziale der Zulassung erläutern Jan Nelle und Keno Maywald im Interview.

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Für den Einsatz im Flugzeug wurden bereits viele Additive Manufacturing-Teile, kurz AM-Teile, zugelassen. Was macht aber die Zulassung des sogenannten A-Links so besonders?

Jan Nelle: Für Lufthansa Technik ist es das erste AM-Bauteil, das nicht im Inneren der Flugzeugkabine Anwendung findet. Der A-Link ist in der Triebswerksgondel, der sogenannten Nacelle, verbaut und hält dort ein Heißluftrohr. Er hat also eine strukturelle Funktion, die im Falle eines Versagens auch einen größeren Einfluss auf den Flugbetrieb haben kann als die bislang von uns 3-D-gedruckten Kabinenbauteile, die zumeist nur dekorative Funktionen erfüllen mussten.

Macht es in der Zertifizierung einen Unterschied, ob ein AM-Teil für ein neues Flugzeug oder für die Instandhaltung vorgesehen ist?

Keno Alexander Maywald: Ja, dass es kein OEM-Bauteil ist, hat für uns einen Einfluss auf die Zertifizierung. Wir mussten unsere gewohnten Zertifizierungspfade verlassen – allein schon, weil Lufthansa Technik kein Unternehmen des Airbus-Konzerns ist. Für uns steckt allerdings ein erhebliches Marktpotenzial in diesem Geschäftsfeld, da wir die Teile nicht nur für die Erstausrüstung, sondern möglicherweise viele Hundert Male über die gesamte Lebensdauer des Triebwerks zur Verfügung stellen.

Welche Vorteile hat Lufthansa Technik durch die additive Fertigung dieses Ersatzteils?

Nelle: Ein großer Teil unseres Umsatzes entfällt auf die Reparatur und Überholung von Flugzeugkomponenten. Die Einlastung der Repair Shops unterliegt coronabedingt aber immer noch gewissen Schwankungen. Gerade bei kleinen Stückzahlen kann die Fertigung mittels AM hier Vorteile bringen, da keine aufwendigen und teuren Guss- oder Schmiedeformen benötigt werden.

Mit welchen Stückzahlen rechnen Sie?

Nelle: Momentan gehen wir von circa 60 A-Links pro Jahr aus.

Das heißt, hier ist die Wirtschaftlichkeit das schlagende Argument?

Maywald: Ja. Die Laser Powder Bed Fusion-Technologie, oder kurz LPBF-Technologie, wird immer wettbewerbsfähiger. Sie ist kompetitiv gegenüber herkömmlichen Produktionstechnologien wie Schmieden oder Gießen und übertrifft auch deren erreichbare Materialeigenschaften. Die Vorteile für uns als Teilehersteller liegen auf der Hand: Wir können fast alle Prozessschritte intern abbilden und sind daher unabhängig von Lieferkettenproblemen, wir verbrauchen deutlich weniger Material und könnten prinzipiell auch sehr hohe Stückzahlen, wie in der Automobilindustrie, fertigen.

Was waren die Knackpunkte bei der Zulassung des LPBF-Verfahrens?

Maywald: In den ersten Jahren war definitiv die Kombination aus Werkstoff und Prozesskette eine Herausforderung. Anforderungen an Materialqualität mussten wir, mit der nötigen statistischen Sicherheit, mit der geforderten Bauteilgüte in Einklang bringen. Die fertigen Bauteile mussten also statischen und dynamischen Lasten standhalten und zugleich maßhaltig und von hoher Oberflächengüte sein. Insbesondere mögliche Wechselwirkungen der einzelnen Prozessschritte aufeinander und auf die Bauteilgeometrie waren anfangs teilweise schwer vorherzusagen.

Welche Wechselwirkungen waren dabei kritisch?

Maywald: Zum Beispiel die zwischen LPBF-Prozess und Wärmebehandlung oder zwischen Bauteilgeometrie und galvanischen Prozessschritten.

Aber haben Sie bei Premium Aerotec nicht schon lange Erfahrung mit additiven Verfahren?

Maywald: Schon. Trotzdem stellt der schiere Umfang an zu erbringenden Nachweisen und Dokumentationen immer noch einen hohen Aufwand bei neuen Kunden in der Luftfahrt dar.

Nelle: Das stimmt. Für uns war es von großem Vorteil, dass Premium Aerotec bereits einen intern qualifizierten additiven Herstellprozess auf Basis des LPBF-Verfahrens entwickelt hatte, für den schon Spezifikationen und Materialkennwerte vorlagen. Auf dieser Grundlage konnten wir auch die Qualifikation unseres Bauteils aufbauen und uns einigen zusätzlichen Aufwand für die Qualifikation von Material und Maschinen sparen.

Wie lange waren Sie mit der Zulassung des Bauteils beschäftigt?

Maywald: Die Fertigungstechnologie und die Prozesse werden bei uns bereits seit 2015 entwickelt, die ersten Teile mit bauteilspezifischer Qualifikation wurden 2016 in die Flugzeuge gebracht. Die Prozessqualifikation für Airbus folgte dann im Jahr 2019 und die ersten Teile im Rahmen dieser Qualifikation wurden coronabedingt im Jahr 2021 in die Flugzeuge eingerüstet. Darauf aufbauend erfolgte die Zertifizierung der A-Links bei der EASA als zulassender Behörde.

Nelle: Coronabedingt hat sich die Projektlaufzeit auf fast vier Jahre summiert. Netto waren wir circa zwei Jahre mit dem Thema beschäftigt. Zukünftige Projekte dieser Art sollten mit der geschaffenen Basis allerdings in nur mehr wenigen Monaten umsetzbar sein.

Sie wollen auch Langzeiterfahrung mit den neuen Komponenten sammeln. Welche Aspekte interessieren Sie dabei besonders?

Nelle: Es ist uns sehr wichtig zu sehen, wie das Material sich im Einsatz verhält – auch wenn die Materialkennwerte des additiv hergestellten Materials bisher keine Schwachstellen gegenüber dem klassisch hergestellten Material aufweisen. Aus unserer langen Erfahrung mit dem betreffenden Triebwerkstyp wissen wir, dass der Hauptversagensgrund beim A-Link der Verschleiß ist. Dieser wird durch die am Triebwerk auftretenden Vibrationen hervorgerufen. Hierauf wird also auch unser Hauptaugenmerk in der Nachbeobachtung liegen. Ist das Verschleißverhalten gegenüber dem Originalteil verändert? Oder führt es aufgrund der höheren Härte des AM-Materials vielleicht eher zu Verschleiß an den Anbauteilen?

Da die A-Links aufgrund ihres Einbauortes im normalen Betrieb nicht regelmäßig inspiziert werden, fallen Veränderungen an ihnen oft nur spät auf. Daher haben wir bewusst zusätzliche Kontrollen bei den ersten verbauten AM-Teilen eingeplant, um ihren Zustand konstant zu beobachten, als zusätzliche Sicherungsmaßnahme.

Maywald: Wir wissen, dass die Teile höchste Qualitätsstandards erfüllen: je nach Qualitätslevel werden sie zu 100 % mittels CT-Scan und Farbeindringprüfung geprüft, Materialeigenschaften werden periodisch für jede unserer additiven Fertigungsanlagen geprüft. Die hohe Qualität wollen wir nun auch in der Praxis beweisen und somit die Akzeptanz für additive Verfahren weiter erhöhen.

Welche Tragweite hat die Zulassung des Verfahrens insgesamt für die additive Fertigung von Ersatzteilen für Flugzeuge?

Nelle: Das von uns angewendete Verfahren ist ja nicht neu. Für uns war es aber wichtig, unser Know-how in diesem Bereich zu erweitern und die Grundlagen zu schaffen, um die Technologie auch zukünftig für die Ersatzteilfertigung durch Lufthansa Technik anwendbar zu machen.

Welche Bauteile oder Ersatzteile könnten in Zukunft additiv gefertigt werden?

Nelle: Sinnvoll ist die Technologie aus unserer Sicht überall dort, wo Bauteile in überschaubare Stückzahlen oder mit speziellen Designs benötigt werden. Wir gehen davon aus, dass die OEMs zukünftig immer mehr AM-Bauteile in ihre Flugzeuge, Triebwerke und Komponenten integrieren werden, die dann natürlich auch mittels AM ersetzt oder repariert werden müssen. Darauf wollen wir frühzeitig vorbereitet sein und heute schon entsprechendes Wissen aufbauen.

Maywald: Gerade Flugzeugtriebwerke bieten naturgemäß ein großes Portfolio von hoch belasteten Bauteilen, gleichzeitig bestehen in der Luftfahrtindustrie höchste Ansprüche an Performance, Gewicht, Zuverlässigkeit und Preis. Prinzipiell lassen sich alle Bauteile aus Titan mittels AM im Rahmen der Zulassung inklusive der höchsten Funktionsklassen herstellen, solange sie von den Abmessungen her in unsere Anlagen passen.

Einige Industrievertreter kritisieren, dass aufwendige Zulassungsverfahren den Einsatz innovativer Technologien oftmals ausbremsen. Wie bewerten Sie die Regularien im Zusammenhang mit der additiven Fertigung in der Luftfahrt?

Nelle: Natürlich werden neuen Technologien durch die bestehenden Zulassungsverfahren in der Luftfahrt hohe Hürden gesetzt. Und natürlich ist es aus Sicht des Ingenieurs immer wünschenswert, wenn neue Technologien einfacher und schneller anwendbar wären. Allerdings geht es hier um die Sicherheit, die in der Luftfahrt zu Recht das höchste Gut darstellt. Ein relevantes Bauteil, welches im Flugbetrieb ausfällt, kann einen enormen Einfluss auf die Flugsicherheit haben.

Sollte es durch ungeplante Ausfälle von AM-Bauteilen zu Schäden an Fluggeräten oder sogar an Passagieren kommen, könnte dies die Technologie in unserer Branche weit zurückwerfen. Daher ist es aus meiner Sicht wichtig und richtig, eng mit den Behörden und den Anwendern zusammenzuarbeiten und zügig Standards zu entwickeln, an denen sich die Industrie orientieren kann, um das sehr hohe Sicherheitsniveau in der Luftfahrt auch bei der Verwendung der AM-Technologie sicherzustellen.

Wo steht die Luftfahrtindustrie heute als Anwender von AM-Technologien?

Maywald: Nach wie vor ist eine Menge an Überzeugungsarbeit bei internen und externen Stakeholdern notwendig, um die Technologie in die Flugzeuge zu bekommen. Mit AM könnten Flugzeugbauer ihre Kompetenzen erstmals in den Bereich der Materialherstellung ausweiten. Mit den entsprechenden Demonstrationsprojekten wie dem A-Link und wachsendem Vertrauen in die Technologie sind wir zuversichtlich, dass die Industrie in dem Thema auf dem richtigen Weg ist.