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Aluminium-3D-Druck: Neue Leichtbaupotenziale durch das Nutzen der geometrischen Freiheiten

Leichtbau
Fraunhofer EMI untersucht den Einsatz von Aluminium-3D-Druck für Flugzeugbauteile

3D-gedruckte Halterung einer Flugzeugladeraumklappe an Passagierflugzeugen Bild: Fraunhofer EMI

Die Forschenden am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI untersuchen zusammen mit Partnern aus der Luftfahrtindustrie, gefördert durch die Europäische Union im gemeinsamen Unternehmen Clean Sky 2 Joint Undertaking, die Einsatzmöglichkeiten für den Aluminium-3D-Druck bei Flugzeugbauteilen.

In dem Projekt erschließen die Forschenden neue Leichtbaupotenziale durch das Nutzen der geometrischen Freiheiten und ermitteln Designrichtlinien für die effiziente, maßgeblich virtuelle Produktentwicklung. Zusätzlich wird der gesamte Lebenszyklus der Flugzeugkomponenten betrachtet und beispielsweise Energie- und Materialströme während des Fertigungsprozesses gemessen und analysiert. Auf diese Weise stehen bei der Weiterentwicklung von Designrichtlinien nicht nur der Leichtbau und die mechanische Leistung der Bauteile im Vordergrund, sondern auch der nachhaltige Einsatz von Ressourcen in der Fertigung durch den 3D-Druck und im gesamten Lebenszyklus.

Topologie-Optimierung im Aluminium 3D-Druck

Um die neuen Designfreiheiten durch den 3D-Druck zu nutzen, sind neue Konstruktionsmethoden notwendig. Das Fraunhofer EMI arbeitet daran, automatisierte Designmodelle auf Grundlage von Simulationen weiterzuentwickeln. Hierbei spielt die Methode der Topologieoptimierung eine entscheidende Rolle. In der Simulation wird die Lastverteilung in einem Bauteil bestimmt und dessen Geometrie optimiert. Ziel ist es, in einem durch Algorithmik automatisierten Prozess eine Designlösung mit effizienterer Lastverteilung bei geringerem Gewicht zu erreichen. Am Fraunhofer EMI arbeitet man daran, diese Methoden für den Einsatz bei Luftbauteilen weiterzuentwickeln und vor allem die Sicherheit und Robustheit der optimierten Leichtbaulösungen sicherzustellen und zu verbessern. Zusätzlich fließen die Erkenntnisse aus der Lebenszyklusanalyse in die Simulationsmodelle ein. Denn am Ende zählt nicht nur der Leichtbau, sondern auch die Nachhaltigkeit und Sicherheit der Bauteile.

Technologie, die abhebt


 

Erhöhte Robustheit und Sicherheit von optimierten 3D-Druck-Bauteilen

Die Designfreiheit der additiven Fertigung kann nicht nur für den Leichtbau, sondern auch für das Erreichen erhöhter Sicherheit und Robustheit genutzt werden. Am Fraunhofer EMI wird beispielsweise daran gearbeitet, topologieoptimierte Teile „fail-safe“ und strukturell redundant zu konstruieren. Dies bedeutet, dass so gestaltete Bauteile bei einem Fehlverhalten oder Teilversagen gutmütig reagieren können. Beispielsweise wird bei einem Riss oder einer Schädigung des Materials die Lastverteilung so umgelenkt, dass der sichere Betrieb weiter gewährleistet ist und die betroffene Komponente rechtzeitig gewartet oder ausgetauscht werden kann. Auf diese Weise kann auf zusätzlich redundante Bauteile verzichtet werden, und es können Sicherheitsfaktoren erhöht und somit effizientere Systeme entwickelt werden. (eve)

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