Gedruckte formvariable Flügelhinterkante
DLR
Unter dem Begriff AddComSTM (Additive Composite Structures) erforschen die Wissenschaftler am DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik in Braunschweig, wie sich generative Fertigungsverfahren in bereits bestehende Produktionstechnologien integrieren lassen. Damit sollen multimaterielle und mehrskalige Werkstoffe sowie Strukturen und Systeme mit integrierten Funktionen, die bislang nicht effizient herstellbar waren, den Wissenschaftlern zufolge in naher Zukunft leichter und kostengünstiger realisiert werden können. Erste Anwendungsbeispiele stellte das DLR jüngst vor.
Zu den ersten Bauteilen aus dem neu eingerichteten Labor in Braunschweig gehören Flügelrippen für ein Solar-Hale-Flugzeug, eine fliegende Plattform, die durch ihr geringes Gewicht allein durch Sonnenenergie aus Solarzellen in der Luft gehalten werden kann. Die Rippen wurden laut den Wissenschaftlern direkt durch eine Kombination von Carbonendlosfasern und einem thermoplastischen Kunststoff additiv gefertigt. "Nach konventioneller Bauart werden die Rippen ausgefräst. Der 3-D-Druck ermöglicht uns dagegen eine kraftflussgerechte Verwendung der Fasern, wodurch weniger Fasern und Kunststoff verbaut werden müssen", erklärt Professor Hans Peter Monner vom DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik.
Als weiteren Anwendungsfall sehen die Wissenschaftler formveränderliche Strukturen. Diese könnten zukünftig im Bereich der Steuer- und Landeklappen von Flugzeugtragflächen eingesetzt werden, um Kraftstoffeinsparungen zu erzielen. Mit der Kombination von festen und flexiblen Materialien sei mittlerweile die additive Fertigung formvariabler Flügelkanten möglich, die über elastische luftdruckgesteuerte Zellen verfügen. "Die jeweils mit einem Hohlraum ausgestatteten Luftdruckzellen sind gleichzeitig stabil und flexibel", sagt Professor Monner. Das sei mit keiner anderen Bauart zu erreichen.
Ganzheitliche Methodik nötig
Um die automatisierte Fertigung solcher additiv gefertigten Bauteile zukünftig weiter optimieren zu können, wäre nach Ansicht der Experten des DLR beispielsweise ein spezieller 3-D-Druck-Kopf auf einem gängigen Industrieroboter denkbar. So könnten verschiedenen Fertigungsverfahren auf einem Bauteil kombiniert werden. Die Produktion heutiger Faserverbundbauteile mittels Faserablegeköpfen könnte mit den neuen Möglichkeiten des 3-D-Drucks quasi verschmilzen, so die Vision von Professor Monner. "Dies erfordert eine neue ganzheitliche Methodik mit innovativen Ansätzen für Material, Entwurf, Auslegung, Optimierung, Fertigung, Produktion bis hin zur Zertifizierung, welche die beste Kombination aus verschiedenen Fertigungsverfahren in jeder Phase berücksichtigt." Die Grundstruktur könnte dem Professor zufolge im klassischen Fibre-Placement-Verfahren aufgebaut werden und mit der neuen Technologie könnten additiv zusätzliche Funktionen, wie etwa integrierte leichte und akustisch optimierte Strukturen, leichtbaugerechte Crash-Systeme, integrierte Antennen, integrierte Beleuchtung oder formvariable Eigenschaften (Morphing) in das Bauteil "hineingedruckt" werden.
Das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik verfügt über langjährige Erfahrungen in der Faserverbundfertigung, etwa dem Automated Fiber Placement (AFP). In dem Braunschweiger Institut sollen nun zukünftig zudem die additiven Fertigungstechnologien Fused Deposition Modeling (FDM) sowie das Multi Jet Modeling (MJM) angewendet werden.