Fertigungsverfahren in der Luft- und Raumfahrt für Prototyping und Produktion

Die Luft- und Raumfahrtindustrie steht seit langem an der Spitze der Fertigungsinnovationen, da die Unternehmen kontinuierlich nach Methoden zur Kostensenkung, Effizienzsteigerung, verbesserter Anlagenauslastung, höherer Rentabilität und dem Erfüllen und Übertreffen von Erwartungen streben. Fortschrittliche Fertigungsverfahren haben dazu beigetragen, die Entwicklung von Prototypen und Produktionsteilen voranzutreiben.

Dieser Artikel befasst sich mit den Fertigungsverfahren in der Luft- und Raumfahrt für Prototypen und Produktion, dem Vorproduktions- und Prototyping-Prozess, den Verfahren, der Produktion, den Materialien und der Qualität.

Im Jahr 2022 wird die Luft- und Raumfahrtindustrie durch eine Zunahme der Anfragen für Flugzeuge und militärische Geräte sowie durch die zusätzliche Nachfrage nach Flugreisen angekurbelt. Während sich die Treibstoffpreise auf den Flugverkehr und die Gesamtkosten auswirken, verbessert das Wachstum neuer Technologien die Effizienz, da die Branche nach treibstoffeffizienteren und emissionsärmeren Produktdesigns strebt.

Auf der Grundlage von Umfragen unter Geschäftsführern der Luft- und Raumfahrtindustrie reichen die allgemeinen Geschäftsaussichten für die Luft- und Raumfahrt im nächsten Jahr von "etwas bis sehr positiv". Agilität ist erforderlich, um potenzielle Marktinstabilitäten abzuwehren, und technologisches Wachstum steht an der Spitze der Trends, die die Branche in den kommenden Jahren anführen sollen. Neben der Notwendigkeit, die Zahl der Arbeitskräfte zu erhöhen, gehören zu den Trends in der Luft- und Raumfahrtindustrie auch viele innovative Programme, die im Folgenden beschrieben werden:

• 3D-Druck - Eine Komponente der additiven Fertigung. Beim 3D-Druck werden Teile durch schichtweises Zusammenfügen von Material aus einem 3D-Entwurf (z. B. einer CAD-Datei) hergestellt.
• Additive Fertigung (AM) - Beim AM-Verfahren wird ein Objekt durch Hinzufügen von Material hergestellt. Das Gegenteil ist die "subtraktive Fertigung", bei der das Material durch Schneiden und andere Methoden entfernt wird. Dies unterscheidet sich vom 3D-Druck, bei dem das Material schichtweise hinzugefügt wird.
• Künstliche Intelligenz (KI) - KI umfasst Systeme oder Maschinen, die die menschliche Intelligenz nachahmen, um Aufgaben auszuführen, und sich auf der Grundlage der gesammelten Informationen iterativ verbessern können.
• Cloud Computing - Beim Cloud Computing wird anstelle eines lokalen Servers oder eines Personalcomputers ein Netzwerk von im Internet gehosteten Remote-Servern zur Speicherung, Verwaltung und Verarbeitung von Daten verwendet.
• Verbundwerkstoffherstellung - Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien, die die Produktleistung verbessern und die Produktionskosten senken. Diese Materialien werden für eine bessere Leistung in bestimmten Anwendungen entwickelt.
• Distributed Manufacturing (DM) - DM ist eine Form der dezentralisierten Fertigung, bei der ein Netz lokalisierter Hersteller eingesetzt wird. Diese Hersteller bieten auf der Grundlage ihres Fertigungs-Know-hows Auftragsdienstleistungen an. Diese Dienstleistungen werden mithilfe fortschrittlicher Informationstechnologie und Cloud-Plattformen koordiniert.
• Digitaler Faden - Ein digitaler Faden ist eine datengesteuerte Architektur, die aus dem Produktlebenszyklus generierte Informationen miteinander verbindet. Er ist als primäre oder maßgebliche Daten- und Kommunikationsplattform für die Produkte eines Unternehmens zu einem bestimmten Zeitpunkt vorgesehen. 
• Industrie 4.0 - Industrie 4.0 ist der nächste Schritt in der Art und Weise, wie Unternehmen ihre Produkte herstellen, verbessern und vertreiben. Die Hersteller integrieren neue Technologien wie das Internet der Dinge (IoT), Cloud Computing und Analytik sowie KI und maschinelles Lernen in ihre Produktionsanlagen und Abläufe.
• Internet der Dinge (IoT) - Das Internet der Dinge (IoT) ist ein Netzwerk von physischen Objekten, "Dingen", die mit Sensoren, Software und anderen Technologien ausgestattet sind, um sich mit anderen Geräten und Systemen über das Internet zu verbinden und Daten auszutauschen.
• Intelligente Fabrik - Die intelligente Fabrik ist ein zusammenhängendes Netzwerk von Maschinen, Kommunikationsmechanismen und Rechenleistung, das ein cyber-physisches System umfasst. Dieses System nutzt fortschrittliche Technologien wie künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen, um Daten zu analysieren, automatisierte Prozesse zu steuern und zu lernen, um sich kontinuierlich zu verbessern.
• Maschinelles Lernen - Maschinelles Lernen ist die Verwendung und Entwicklung von Computersystemen, die lernen und sich anpassen können, ohne explizite Anweisungen zu befolgen, und die Algorithmen und statistische Modelle verwenden, um Muster in Daten zu analysieren und daraus Schlüsse zu ziehen.
• Lieferkette - Die Aktivitäten, die an der Bereitstellung eines Produkts über alle Stufen hinweg beteiligt sind, vom Rohmaterial bis zur Endbearbeitung. 
• Nachhaltigkeit - Nachhaltigkeit besteht darin, die Bedürfnisse heutiger Generationen zu erfüllen, ohne die Bedürfnisse künftiger Generationen zu gefährden, und gleichzeitig ein Gleichgewicht zwischen Wirtschaftswachstum, Umweltschutz und sozialem Wohlergehen zu gewährleisten.

Digitale Technologien und hochmoderne Fertigungsmethoden haben der Luft- und Raumfahrtindustrie einen Vorteil verschafft. Die Abhängigkeit der Luft- und Raumfahrtunternehmen von diesen Technologien wird zunehmen, da sie die Produktgestaltung und -entwicklung weiter rationalisieren. Die Beschaffung sollte sich weiter auf regionale Zulieferer und dezentrale Fertigungsdienstleistungen verlagern, um Zeit und Geld zu sparen und die Qualität zu verbessern. Die Branche arbeitet auch an neuen Antriebstechnologien, darunter Wasserstoff- und Hybridmodelle. Erneuerbare Energien sind ebenfalls ein anhaltender Trend in der Luft- und Raumfahrtindustrie. 

Die additiven Fertigungstechnologien haben maßgeblich zu diesen Branchentrends beigetragen und setzen ihr schnelles Wachstum mit neu entwickelten Materialien fort. Die drei Schlüsseltechnologien sind der 3D-Druck, die Verbundwerkstoffherstellung und andere additive Fertigungstechnologien (AM).

Dazu gehören: Pulverbettschmelzen, Material- und Bindemittelstrahlverfahren, Kübelpolymerisation, direkte Energieabscheidung und Materialextrusion.

Diese Technologien haben sich aufgrund der Anfälligkeit der globalen Lieferkette und der Fähigkeit der additiven Fertigungstechnologien durchgesetzt. Diese Aspekte sind von entscheidender Bedeutung, wenn Unternehmen flexiblere Methoden für die Entwicklung, Beschaffung und Herstellung von Produkten benötigen.

Von 2010 bis 2020 hat sich der Markt für additive Fertigung verdoppelt und wird voraussichtlich von 2022 bis 2028 jährlich um über 20 % wachsen. Es wird erwartet, dass die Branche weiterhin neue Verbundwerkstoffe entwickelt und fortschrittliche Fertigungstechnologien integriert und entwickelt. Die Luft- und Raumfahrtindustrie strebt weiterhin sowohl nach größeren als auch nach kleineren Produkten, nach Serienfertigung und nach der Herstellung komplexer Produkte, die früher aus vielen Teilen zusammengesetzt waren.

Additive Technologien ermöglichen das Rapid Prototyping, um die Bewertung und Prüfung neuer Produkte und Materialien zu beschleunigen. In Kombination mit einer Simulationssoftware können Produkte schnell entworfen und auf ihre Leistungsmerkmale hin bewertet werden. Mit dieser leistungsstarken Software lassen sich komplexe Produktentwürfe in Stunden statt in Wochen optimieren.

Die Simulationssoftware bewertet die Materialleistung im Büro. Materialien, die versagen, können leicht durch bessere Materialien ersetzt werden. Das Produktdesign wird schnell verbessert, um leichtere, robustere Konstruktionen mit hervorragenden Leistungsmerkmalen zu erhalten.

Diese komplexen Simulationen können die Produktmikrostruktur, Teilefehler und Leistungsmerkmale vorhersagen und den Konstrukteur bei der Prozessoptimierung unterstützen. Durch die Vermeidung dieser Zeitverschwendung wird die Produktion von Ausschuss vermieden, die Ausrüstung kann optimal genutzt werden, und die Markteinführung wird beschleunigt.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie benötigt keine Großserienfertigung wie die Hersteller von Rohstoffen.

Durch die Produktion auf Abruf werden die Lagerbestände und die Lagerhaltungskosten reduziert. Die Einsparungen können sich bei teuren Luft- und Raumfahrtkomponenten schnell summieren. Die On-Demand-Produktion ist ideal für additive Technologien, die häufig eine Reduzierung von Teilen und Gewicht sowie eine schnelle Prototypenherstellung erfordern.

Wenn es um die Verwendung teurer Materialien in der Luft- und Raumfahrt geht, hat die additive Fertigung einen erheblichen Vorteil gegenüber subtraktiven Fertigungstechnologien, bei denen ein großer Teil des bearbeiteten Materials als Abfall anfällt. Die Luft- und Raumfahrtindustrie legt großen Wert auf die Gewichtsreduzierung von Komponenten. Dies bedeutet entweder weniger Treibstoff oder eine größere Reichweite für das Flugzeug. Mit der additiven Fertigung kann aus mehreren Komponenten ein einziges Bauteil entwickelt werden, wobei das Gewicht reduziert und die Gesamtfestigkeit und Leistung beibehalten wird.   

In jüngster Zeit wurden hybride Fertigungsmodelle für die Luft- und Raumfahrt und andere Branchen entwickelt. Das Hybridmodell kombiniert subtraktive Fertigungsanlagen mit additiven Anlagen. Dies kann die Endbearbeitung, das Bohren extrem genauer Löcher oder andere subtraktive Fertigungsverfahren umfassen.

Die Entwicklung von additiven Metalltechnologien war ein wichtiger Faktor für das Wachstum des gesamten Sektors der additiven Fertigung. Additive Verfahren wie das gerichtete Metall-Lasersintern (DMLS), das Laser-Pulverbett-Verfahren (L-PBF), das Elektronenstrahl-Pulverbett-Verfahren (EB-PBF) und die gerichtete Energieabscheidung (DED) erzeugen Teile aus Metallen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen aus Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Eisensuperlegierungen, Nickellegierungen, Edelmetallen, Refraktärmetallen, Titanlegierungen und mehr.

Zu den anderen Werkstoffen für einzigartige nichtmetallische Anwendungen gehören Bor, Kohlefaser und Flüssigsilikonkautschuk. Zu den neuen Werkstoffen gehören Metawerkstoffe, eine neue Klasse leistungsspezifischer Werkstoffe mit Eigenschaften, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht zu finden sind. Bei Flugzeugauspuffanlagen können Metamaterialien zur Lärmreduzierung eingesetzt werden.

Da Luft- und Raumfahrtprodukte in anspruchsvollen und gefährlichen Umgebungen eingesetzt werden, müssen die Produkte die Leistungsanforderungen von Standardprodukten übertreffen. Die Endbearbeitung der Produkte wird geprüft, um die Einhaltung der Qualitätsanforderungen und die Zertifizierung zu gewährleisten. Dazu gehören häufig Koordinatenmessmaschinen (CMM), Computertomographie, Röntgenanalyse, Leistungstests und zerstörende Prüfverfahren. Die Rückverfolgbarkeit von Chargen und umfassende Aufzeichnungen sind im Falle eines Produktausfalls erforderlich. Für die meisten Produkte sind Materialzertifikate und Produkttestdaten erforderlich.

Industriezertifizierungen helfen Unternehmen, Hersteller zu identifizieren, die die strengen Qualitätsstandards der Luft- und Raumfahrtindustrie erfüllen. Zu den wichtigsten Zertifizierungen für Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsunternehmen gehören AS9100D, C und B, ISO-9001:2015, AS-5553 und ITAR. AS9100 D ist die ISO-9001-Version der Qualitätsanforderungen für die Luft- und Raumfahrt und wurde von der Society of Automotive Engineers (SAE) und der European Association of Aerospace Industries (EAAI) entwickelt. AS9100 D ist der Standard für die Qualität in der Luft- und Raumfahrt.

AS9100 bezieht sich auf die Wartung und Reparatur von Flugzeugen. AS9100 B behandelt die Lagerung und den Vertrieb von Flugzeugteilen. AS -5553 ist die Luft- und Raumfahrtnorm für die Verhinderung und Verwendung von gefälschten Teilen. ITAR (International Traffic in Arms Regulations) gilt speziell für die Verteidigungsindustrie und regelt Exporte unter Aufsicht des US-Außenministeriums (DOS). Die Herstellung von Artikeln, die für verteidigungsbezogene oder militärische Endanwendungen bestimmt sind, erfordert die Einhaltung der ITAR-Vorschriften. Diese Zertifizierungen sind erforderlich, um in der Luft- und Raumfahrtindustrie tätig zu sein.

Additiv gefertigte Teile erfordern auch Zertifizierungen durch verschiedene Behörden wie die Federal Aviation Administration (FAA), die European Space Agency (ESA), die Generaldirektion für Zivilluftfahrt (DGCA), das Center for Military Airworthiness & Certification (CEMILAC) usw. Diese Behörden prüfen die Faktoren, die sich auf die Produktqualität und die Prozesskontrolle auswirken. Diese Agenturen suchen nach Daten über die Festigkeitseigenschaften des Materials, Tests, Leistung, Prozesskontrolle und Rückverfolgbarkeit der Chargen.