Zurück zum 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt
Verfasst von Felix Lee
CEO bei Forgecise
Felix Lee konzentriert sich auf fortschrittliche Fertigungstechnologien und industrielle Ingenieurlösungen. Seine Arbeit untersucht, wie additive Fertigung Leichtbaustrukturen, Produktionseffizienz und Anwendungen der nächsten Generation in der Luft- und Raumfahrt unterstützen kann.
Letzte Aktualisierung: 18. August 2026
Die additive Fertigung von Gitterstrukturen hilft Herstellern von UAVs und eVTOLs, das Strukturgewicht zu reduzieren und gleichzeitig Festigkeit, Wärmeableitung und Elektronikschutz in einem einzigen Design zu gewährleisten. Durch den Ersatz unnötigen Massivmaterials durch speziell entwickelte Zellstrukturen können Luft- und Raumfahrtunternehmen leichtere Komponenten für längere Flugzeiten, höhere Nutzlastkapazität und eine bessere Leistung von Elektroflugzeugen realisieren.
Table of Contents
TL;DR
- Durch additive Fertigung von Gitterstrukturen lässt sich das Gewicht von Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen um etwa 33 bis 50 Prozent reduzieren.
- FCC-, Lord-Kelvin-, Gyroid-, Schwarz-Diamond- und I-WP-Strukturen ermöglichen es Ingenieuren, Festigkeit, Steifigkeit, Kühlung und EMI-Schutz zu steuern.
- Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten gehören Elektromotorgehäuse, Propellernaben, Rotorgelenke und UAV-Rahmenknoten.
- LPBF, SLS, FFF und andere AM-Verfahren ermöglichen die Produktion mit Metallen, Polymeren und Verbundwerkstoffen.
- Die zukünftige Luft- und Raumfahrtproduktion wird von besseren Simulationen, KI-gestützter Konstruktion, Inspektionssystemen und Prozesskontrolle abhängen.
Elektroflugzeuge haben ein einfaches Problem: Jedes Kilogramm zählt.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Flugzeugen sind UAVs und eVTOL-Plattformen stark von elektrischen Antriebssystemen abhängig. Da die Energiedichte von Batterien begrenzt ist, verbessert eine Reduzierung des Strukturgewichts direkt die Flugdauer, die Nutzlast, die Schwebestabilität und die Reichweite.
Aus diesem Grund blicken Luft- und Raumfahrtingenieure über traditionelle Fertigungsmethoden hinaus.
Die Frage lautet nicht mehr nur:
„Können wir dieses Teil leichter gestalten?“
Die bessere Frage lautet:
Kann ein Bauteil gleichzeitig Lasten tragen, Wärme abführen, Elektronik schützen und den Montageaufwand reduzieren?
Auf dieser Idee basieren die Konstruktionsprinzipien von Gitterstrukturen in der additiven Fertigung.
Was sind Gitterstrukturen aus der additiven Fertigung?
Gitterstrukturen aus additiver Fertigung sind konstruierte interne Rahmen, die durch 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Anstatt ein vollständig massives Bauteil zu produzieren, platzieren Ingenieure das Material nur dort, wo es zur Lastaufnahme benötigt wird.
Diese Strukturen nutzen mathematische Muster, die als Gittertopologien bezeichnet werden.
Die letzte Komponente kann Folgendes enthalten:
- geringeres Gewicht
- hohe Steifigkeit
- verbesserte Schwingungskontrolle
- interne Kühlwege
- elektromagnetische Abschirmungsfunktionen
Die traditionelle Luft- und Raumfahrtfertigung setzt häufig auf CNC-Bearbeitung von massiven Metallblöcken oder Kohlefaser-Laminatbaugruppen.
Diese Methoden sind zuverlässig, haben aber ihre Grenzen.
Bei der maschinellen Bearbeitung von Bauteilen wird viel Material abgetragen. Verbundstrukturen erfordern oft mehrere Schichten, Formen und eine manuelle Montage.
Gelenke stellen ein weiteres Problem dar.
Jede Halterung, jede Schraube und jeder Verbindungspunkt erhöht das Gewicht und erzeugt mögliche Spannungskonzentrationsbereiche.
Die additive Fertigung verändert den Konstruktionsansatz.
Ingenieure können mehrere Teile zu einer einzigen gedruckten Struktur mit interner Gitterverstärkung kombinieren.
Dies reduziert:
- Gewicht der Befestigungselemente
- Montagezeit
- Fertigungskomplexität
- Wartungsschwierigkeiten
Für Hersteller von UAVs und eVTOLs kann dies das Gewicht der Strukturbauteile auf etwa 100 % reduzieren. ein Drittel bis die Hälfte herkömmlicher DesignsDie
Warum benötigen UAVs und eVTOL-Flugzeuge leichte Gitterstrukturen?
UAV- und eVTOL-Plattformen unterliegen strengen Gewichtsbeschränkungen.
Ein schwereres Flugzeug benötigt:
- mehr Akkuleistung
- größere Motoren
- stärkere Stützkonstruktionen
Dadurch entsteht ein Kreislauf, in dem zusätzliches Gewicht noch mehr Gewicht erzeugt.
Additive Gitterstrukturen durchbrechen diesen Kreislauf, indem sie das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht verbessern.
Die Leistungsfähigkeit einer Gitterstruktur hängt ab von:
- Topologie-Design
- relative Dichte
- Materialauswahl
- Herstellungsprozess
- Druckrichtung
Die relative Dichte beschreibt, wie viel Material im Vergleich zu einer vollständig festen Version desselben Materials vorhanden ist.
Eine geringere relative Dichte bedeutet weniger Material, die Struktur muss aber dennoch den Betriebslasten standhalten.
Dieses Gleichgewicht ist die Grundlage für die Konstruktion von Gitterstrukturen in der Luft- und Raumfahrt.
Welche Gitterstrukturen werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt?
Ingenieure verwenden hauptsächlich drei Gitterfamilien:
- Strebenbasierte Gitter
- Plattenbasierte Gitter
- Dreifach periodische Minimalflächen (TPMS)-Strukturen
Jede Konstruktion verhält sich unter mechanischer Belastung unterschiedlich.
Wie verbessert ein FCC-Gitter die Strukturen in der Luft- und Raumfahrt?
Flächenzentrierte kubische (FCC) Gitter verwenden verbundene Diagonalstreben, die die Kräfte in mehrere Richtungen verteilen.
Wenn ein UAV-Rahmen Folgendes erlebt:
- Biegebelastungen
- Drehkräfte
- Vibration
Die FCC-Struktur verteilt diese Kräfte über mehrere Lastpfade.
Dadurch wird die lokale Spannungskonzentration verringert.
FCC-Gitter werden häufig verwendet für:
- UAV-Armee
- Strukturverbindungen
- Leichtbau-Rahmenprofile
Typische Herstellungsverfahren sind:
- Laser-Pulverbettfusion (LPBF)
- Schmelzschichtverfahren (FFF)
Gängige Materialien sind:
- AlSi10Mg
- Ti-6Al-4V
- Kohlenstofffaserverstärktes PA12
Typische relative Dichte:
8%–15%
In optimierten Multirotor-Konstruktionen werden FCC-Gitter mit Feststoffvolumenanteilen von bis zu 8,75 % haben eine mit massiven Polymerbalken vergleichbare Steifigkeit erreicht und gleichzeitig die Gesamtmasse der Flugzeugzelle reduziert.
Warum wird das Lord-Kelvin-Gitter für Flugzeugstrukturen verwendet?
Das Lord-Kelvin-Gitter aus abgestumpften Oktaedern ist auf Biegefestigkeit und Energieabsorption ausgelegt.
Es ist nützlich, wenn Strukturen folgenden Anforderungen widerstehen müssen:
- aerodynamische Böenlasten
- Vibration
- wiederholte Biegekräfte
Anwendungsgebiete umfassen:
- Flügelstrukturen
- Rotorhalterungen
- stoßfeste Komponenten
Zu den Herstellungsverfahren gehören:
- SLS
- LPBF
Materialien:
- Nylon 12
- Scalmalloy
- Al2139
Typische relative Dichte:
10%–25%
Die Geometrie trägt dazu bei, Verformungen zu reduzieren und gleichzeitig die Struktur leicht zu halten.
Warum sind TPMS-Gitterstrukturen für die elektrische Luftfahrt wichtig?
Dreifach periodische Minimalflächen (TPMS)-Strukturen unterscheiden sich von herkömmlichen Streben-Gittern.
Sie entstehen aus mathematischen Flächen mit glatten, stetigen Kurven.
Beispiele hierfür sind:
- Gyroid
- Schwarzer Diamant
- I-Wrapped Package (I-WP)
Da TPMS-Strukturen nicht auf scharfen Schnittstellen beruhen, können sie die Spannungskonzentration verringern und das Ermüdungsverhalten verbessern.
Ihre internen Kanäle eröffnen ebenfalls neue Möglichkeiten.
Dieselbe Struktur kann:
- mechanische Lasten tragen
- Kühlflüssigkeit bewegen
- Verbesserung der Wärmeübertragung
- absorbieren elektromagnetische Wellen
Das macht TPMS besonders attraktiv für Elektroflugzeuge.
Was sind die wichtigsten TPMS-Gittertypen?
Gyroidstrukturen
Gyroid-Gitter erzeugen kontinuierliche interne Kanäle.
Typische Herstellungsverfahren:
- LPBF
- Photopolymerisation im Küpenverfahren
Materialien:
- Ti-6Al-4V
- leitfähiges PLA
- Hochleistungskunststoffe
Relative Dichte:
12 %–35 %
Wichtigste Vorteile:
- gleichmäßige Spannungsverteilung
- geringerer Flüssigkeitsdruckverlust
- Ermüdungsbeständigkeit
- integrierte Kühlleistung
I-WP-Strukturen
Die Gitterstrukturen von I-Wrapped Package bieten eine hohe Scherfestigkeit und gute Bedruckbarkeit.
Typische Abläufe:
- FDM
- LPBF
Materialien:
- Ruß-PLA
- AlSi10Mg
Relative Dichte:
10%–30%
Wichtigste Vorteile:
- selbsttragende Geometrie
- Scherfestigkeit
- EMI-Absorptionsfähigkeit
Wo werden additiv gefertigte Gitterstrukturen in UAVs und eVTOL-Flugzeugen eingesetzt?
Den größten Nutzen additiver Gitterstrukturen zeigt sich in Bereichen, in denen Ingenieure mehrere Probleme gleichzeitig lösen müssen.
In diesen Teilen kommt es üblicherweise zu Folgendem:
- hohe mechanische Belastungen
- Vibration
- Wärmeerzeugung
- begrenzter Installationsraum
- strenge Gewichtsvorgaben
Die drei wichtigsten Anwendungsgebiete sind:
- Gehäuse für Elektromotoren
- Propellernaben und Rotorkomponenten
- Strukturrahmenknoten von UAVs und eVTOLs
Wie verbessern additive Motorgehäuse die Leistung von Elektroflugzeugen?
Elektromotoren in UAVs und eVTOL-Flugzeugen erzeugen während des Betriebs große Wärmemengen:
- abheben
- schwebend
- Klettern
- Hochleistungsbetrieb
Hohe Temperaturen können die Wicklungsisolierung beschädigen und zur Entmagnetisierung des Permanentmagneten führen.
Herkömmliche Motorgehäuse verwenden oft dicke Aluminiumwände, um Schutz und Steifigkeit zu gewährleisten.
Dicke Wände fügen jedoch unnötige Masse hinzu.
Die additive Fertigung ermöglicht es Ingenieuren, das Gehäuse neu zu gestalten mit:
- dünne äußere Strukturschichten
- interne metallische Gitterkerne
- integrierte Kühlkanäle
- konforme Wärmeübertragungswege
Beispielsweise können mit dem LPBF-Verfahren Aluminiumlegierungsstrukturen hergestellt werden wie etwa EOS Al2139Die
Die im Bericht beschriebenen Materialeigenschaften umfassen:
- Zugfestigkeit bis zu 500 MPa
- thermische Stabilität bis zu 200 °C
Im Inneren des Gehäuses können die Ingenieure drucken:
- spiralförmige Kühlkanäle
- Gitterkühlkörper
- interne Wärmewege
Das Ergebnis ist eine Konstruktion, die mehr leistet als nur den Motor zu schützen.
Es führt außerdem Wärme ab.
Durch die Verwendung leitfähiger Gitterkerne wird die Oberfläche für den Wärmeaustausch vergrößert, während gleichzeitig die Gehäusemasse reduziert wird. mehr als 40 % im Vergleich zu traditionellen Designs.
Wie verbessern Gitterstrukturen Propellernaben und Rotorsysteme?
Propellernaben und Rotorblattverbindungen arbeiten unter schwierigen Bedingungen.
Sie erleben:
- Zentrifugalkräfte
- Kreisellasten
- wiederholte Vibration
- Aerodynamisches Radfahren
Eine herkömmliche Vollnabe muss überall ausreichend stabil sein.
Ein gitterbasiertes Nabensystem platziert Material nur dort, wo es durch Lasten benötigt wird.
Dies ermöglicht es Ingenieuren, folgende Einstellungen vorzunehmen:
- Steifheit
- Schwingungsverhalten
- Trägheitsmoment
Ein wichtiger Faktor ist das polare Trägheitsmoment (J).
Ein geringeres Trägheitsmoment ermöglicht:
- schnellere motorische Reaktion
- geringerer Strombedarf bei Drosselklappenänderungen
- bessere Flugsteuerungsleistung
Dies ist besonders nützlich bei fortgeschrittenen Konstruktionen wie zum Beispiel toroidale PropellerDie
Toroidale Propeller verwenden eine geschlossene Blattkonstruktion, bei der die Blattspitzen wieder mit der zentralen Nabe verbunden sind.
Additiv gefertigte Naben unter Verwendung von:
- LPBF AlSi10Mg
- SLS Nylon 12
können innere Gitterhohlräume enthalten, die unnötige Masse reduzieren.
Ingenieure können auch viskoelastische Dämpfungsmaterialien in die Gitterzwischenräume einbringen.
Dies trägt dazu bei, die Übertragung von Vibrationen zu reduzieren in:
- Motorlager
- Flugzeugrahmen
- Avioniksysteme
Wie verbessern additive Gitterstrukturen die Rahmenknoten von UAVs?
Strukturelle Verbindungspunkte zählen zu den schwierigsten Bereichen bei der Flugzeugkonstruktion.
Ein herkömmlicher Multikopter-Rahmen verwendet häufig:
- Kohlefaserrohre
- CNC-Aluminiumverbinder
- mechanische Klemmen
- Befestigungselemente
Das Problem ist, dass jede Verbindung Folgendes erzeugt:
- zusätzliches Gewicht
- Stresskonzentration
- Montagekomplexität
Die additive Fertigung ermöglicht es Ingenieuren, durchgehende Strukturen zu erzeugen.
Ein zentraler Rumpfknotenpunkt kann direkt in hohle, gitterverstärkte Auslegerarme übergehen.
Dieser Ansatz ist nützlich für fortgeschrittene Multikoptersysteme, einschließlich Konfigurationen wie:
- PTX6
- PTX8
Diese Flugzeuge erfordern komplexe Winkelverbindungen, deren Herstellung mit herkömmlichen Methoden sehr teuer ist.
Gedruckte Strukturen können auch interne Kanäle enthalten für:
- Hochspannungs-ESC-Kabel
- Stromverkabelung
- Kühlwege
Die Struktur wird Teil des elektrischen und thermischen Systems des Flugzeugs.
Können additive Gitterstrukturen EMI-Abschirmung und Wärmemanagement bieten?
Ja.
Einer der größten Vorteile von Gitterstrukturen in der Luft- und Raumfahrt ist, dass sie mehrere Funktionen in einem Bauteil vereinen können.
Eine einzelne gedruckte Struktur kann folgende Funktionen erfüllen:
- ein tragendes Bauteil
- ein Kühlsystem
- eine EMI-Schutzschicht
Dadurch verringert sich der Bedarf an separaten Teilen.
Wie schützen Gitterstrukturen die Flugzeugelektronik vor elektromagnetischen Störungen?
Elektroflugzeuge sind auf leistungsstarke elektronische Systeme angewiesen.
Hochfrequenzschaltung von:
- Motorsteuerungen
- ESC-Systeme
- Leistungselektronik
kann elektromagnetische Störungen verursachen.
Diese Störung kann folgende Auswirkungen haben:
- Flugcomputer
- Navigationssysteme
- Kommunikationsausrüstung
Herkömmliche EMV-Schutzmaßnahmen verwenden häufig:
- Metallabschirmungskästen
- Kupferband
- zusätzliche leitfähige Schichten
Diese Lösungen funktionieren, erhöhen aber das Gewicht.
Additive Gitter bieten einen weiteren Ansatz.
Metallgitter und leitfähige Polymerstrukturen können elektromagnetische Energie absorbieren.
Zu den Materialien können gehören:
- Rußverstärkte Polymere
- Kohlenstoffnanoröhrenmaterialien
- leitfähiges PLA
- metallische Gitterstrukturen
Die innere Geometrie erzeugt wiederholte elektromagnetische Reflexionen.
Bei diesem Prozess wird elektromagnetische Energie in Wärme umgewandelt.
Der Bericht beschreibt ein I-WP TPMS-Gitter mit einem Dichtegradienten von:
10 % bis 30 %
Erreichen einer elektromagnetischen Absorption von oben:
90 % zwischen 3,53 GHz und 24,00 GHz
Dies umfasst:
- C-Band
- X-Band
- Ku-Band
Diese Strukturen könnten integriert werden in:
- Avionikgehäuse
- Motorabdeckungen
- Flügelstrukturen
ohne zusätzliche separate Abschirmungskomponenten.
Wie verbessern additive Gitterstrukturen das Wärmemanagement von Flugzeugen?
Bei Elektroflugzeugen ist der Platz um Motoren und Energiesysteme herum begrenzt.
Herkömmliche Kühlkörper sind oft flach und lassen sich nur schwer in gekrümmte Luft- und Raumfahrtstrukturen integrieren.
Die additive Fertigung von Metallen ermöglicht es Ingenieuren, Folgendes herzustellen:
- gekrümmte Kühlkanäle
- Interne Gitterwärmetauscher
- Konforme Kühlsysteme
Flüssigkeitskühlsysteme können Kühlmittel durch TPMS-Strukturen innerhalb eines Motorgehäuses leiten.
Die große innere Oberfläche verbessert den Wärmeaustausch.
Luftgekühlte Systeme können offenzellige leitfähige Gitterstrukturen nutzen, die im Propellerluftstrom platziert werden.
Dadurch wird eine Zwangsluftkühlung ohne große externe Kühlkörper ermöglicht.
Was sind die wichtigsten technischen Herausforderungen vor der Produktion in der Luft- und Raumfahrtindustrie?
Additive Gitterstrukturen zeigen im Labor vielversprechende Ergebnisse, die Produktion in der Luft- und Raumfahrt erfordert jedoch eine strenge technische Kontrolle.
Ein gedruckter Prototyp ist nicht automatisch ein flugtaugliches Bauteil.
Die Branche steht vor fünf großen Herausforderungen.
Herausforderung 1: Wie können Ingenieure die Lebensdauer bei Ermüdung verbessern?
Ein Hauptproblem bei der additiven Fertigung von Metallen ist die Oberflächenqualität.
Bei der LPBF-Herstellung können teilweise geschmolzene Pulverpartikel an dünnen Gitterstreben haften bleiben.
Diese kleinen Oberflächenfehler verhalten sich wie mikroskopische Risse.
Bei wiederholter Vibration können sie zu Ermüdungsbruchstellen werden.
Ingenieure begegnen diesem Problem durch:
- glattere Gittergeometrie
- größere Filetübergänge
- optimierte Streben-Knoten-Verbindungen
- Oberflächenveredelung
- Heißisostatisches Pressen (HIP)
Softwareplattformen wie nTop Ermöglichen es Designern, glattere implizite Gitterstrukturen zu erstellen.
Nach dem Druckvorgang erfolgen Prozesse wie:
- chemisches Polieren
- Elektropolieren
kann Oberflächenfehler beseitigen.
Die HIP-Behandlung trägt dazu bei, innere Poren zu schließen und die Leistungsfähigkeit bei Ermüdung zu verbessern.
Allerdings müssen die Teams der Luft- und Raumfahrtindustrie weiterhin Ermüdungsdaten von Teilen erstellen, die in der tatsächlichen Baurichtung gedruckt wurden.
Standardmäßige Daten zu massiven Metallen reichen nicht aus.
Herausforderung 2: Wie entfernen Hersteller eingeschlossenes Pulver und Harz?
Interne Gitterstrukturen können ein weiteres Fertigungsproblem verursachen.
Wenn ein Gitter von festen Außenwänden umschlossen wird, können ungenutztes Pulver oder Harz eingeschlossen werden.
Dadurch entsteht:
- zusätzliche unerwünschte Masse
- Reinigungsschwierigkeiten
- mögliche Flugrisiken bei internen Materialbewegungen
Die Lösung beginnt bereits bei der Planungsphase.
Ingenieure müssen Folgendes berücksichtigen:
- Pulverabfuhrwege
- Entwässerungsöffnungen
- kontinuierliche interne Kanäle
TPMS-Systeme wie zum Beispiel:
- Gyroid
- Schwarzer Diamant
Sie sind nützlich, weil sie miteinander verbundene Wege schaffen.
Der Bericht empfiehlt eine interne Freigabe in folgenden Punkten:
1,2 mm–1,5 mm
zur effektiven Materialabtragung.
Die Nachbearbeitung kann Folgendes umfassen:
- Mehrachsige Schwingungssysteme
- Ultraschall-Flüssigkeitsreinigung
vor der abschließenden Wärmebehandlung.
Herausforderung 3: Warum können Simulationsergebnisse von realen Tests abweichen?
Viele traditionelle Ingenieursimulationen gehen davon aus, dass sich Materialien in jeder Richtung gleich verhalten.
Materialien für die additive Fertigung tun dies oft nicht.
Das schichtweise Drucken erzeugt je nach folgenden Faktoren unterschiedliche Eigenschaften:
- Baurichtung
- thermische Geschichte
- Schichtbindung
Dadurch entsteht Materialanisotropie.
Die Stärke in Z-Richtung kann sich von der in horizontaler Richtung unterscheiden.
Eine bessere Simulation erfordert:
- orthotrope Materialmodelle
- Baurichtungsdaten
- gedruckte Testcoupons
Erweiterte Arbeitsabläufe ermöglichen die Verknüpfung von Druckpfaden mit Simulationssoftware und die Zuweisung unterschiedlicher Steifigkeitswerte zu verschiedenen Gitterbereichen.
Die körperliche Untersuchung sollte Folgendes feststellen:
- Zugfestigkeit
- Druckfestigkeit
- Scherfestigkeit
für den eigentlichen Herstellungsprozess.
Der Bericht verweist auf zusammengesetzte Testmethoden wie zum Beispiel ASTM D3039 zur Materialvalidierung.
Herausforderung 4: Wie lässt sich bei Elektroflugzeugen Kühlung und Abdichtung in Einklang bringen?
Elektrische Antriebssysteme benötigen zwei Dinge, die im Widerspruch zueinander stehen:
Sie müssen kühl bleiben.
Sie benötigen außerdem Schutz vor:
- Feuchtigkeit
- Staub
- Umwelteinflüsse
Ein vollständig abgedichtetes Gehäuse verbessert zwar den Schutz, führt aber zu Wärmestau.
Der Einsatz von Flüssigkeitskühlsystemen kann das Hitzeproblem lösen, bringt aber folgende Probleme mit sich:
- Pumps
- Heizkörper
- Flüssigkeitsleitungen
Dies kann die durch additive Fertigung erzielten Gewichtseinsparungen verringern.
Eine Hybridlösung verwendet Materialien wie:
- Scalmalloy
- Al2139
Das Design vereint:
- feste äußere Dichtflächen
- interne Gitterwärmeübertragungsstrukturen
- externe Kühlrippen
Der Propellerluftstrom kann für zusätzliche Kühlung sorgen, ohne dass ein schweres aktives System erforderlich ist.
Herausforderung 5: Wie können Flugzeugstrukturen aus Polymer EMI-Probleme reduzieren?
Polymerstrukturen wie zum Beispiel:
- PA12
- Kohlenstofffaser PETG
kann das Flugzeuggewicht reduzieren.
Polymere bieten jedoch einen geringeren natürlichen elektromagnetischen Schutz als Aluminium.
Durch das Hinzufügen externer Abschirmungsschichten erhöht sich:
- Gewicht
- Montagearbeiten
- Fertigungskomplexität
Die additive Fertigung mit mehreren Materialien bietet eine weitere Option.
Hersteller können drucken:
- Strukturelle Kohlenstofffaser-Polymer-Abschnitte
- leitfähige interne Bahnen
unter Verwendung von Materialien, die Folgendes enthalten:
- Graphen
- Ruß
Eine weitere Methode ist das Einbetten dünner metallischer Gittereinsätze in Verbundwände.
Der Bericht beschreibt diesen Ansatz als die Schaffung eines integrierten Faraday-Käfigs mit mehr als:
20 dB elektromagnetische Dämpfung
über alle Betriebsfrequenzbereiche hinweg.
Welche Fallstudien aus der Luft- und Raumfahrt zeigen das Potenzial additiver Gitterstrukturen auf?
Demonstrationen aus der Praxis zeigen, dass die additive Fertigung über einfache Prototypen hinausgeht.
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)
Die Ingenieure des LLNL entwickelten additive Fertigungsverfahren für:
- Motorarmabdeckungen
- Kühlhalterungen für Hybridmotoren
Ziel war es, die elektrischen Bauteile zu schützen und gleichzeitig die Wärmeentwicklung während des Hochleistungsbetriebs zu regulieren.
Der integrierte Kühlansatz zeigte, wie gedruckte Strukturen Schutz und Wärmeregulierung kombinieren können.
3DFiT Unibody-Drohnenrahmen
Im Rahmen des 3DFiT-Projekts wurde ein durchgehender Verbunddrohnenrahmen mit interner FCC-Gitterverstärkung getestet.
Im Vergleich zu einem herkömmlichen DJI F450-Rahmen wurde Folgendes erreicht:
- um 10% Massenreduktion
- weniger mechanische Verbindungselemente
- eingeschränkte Gelenkbeweglichkeit
- verbesserte Lastübertragung an den Armverbindungen
Herstellung von Ringpropellern
Untersuchungen, die konventionelle Propeller mit additiven toroidalen Propellerkonstruktionen verglichen, ergaben mehrere Vorteile.
Vorgestellte LPBF-AlSi10Mg-Varianten:
- Streckgrenze um 240 MPa
- Elastizitätsmodul um 70 GPa
Die geschlossene Geometrie verringerte die Wirbelbildung an den Blattspitzen und trug zur Reduzierung hochfrequenter Geräusche im Schwebeflug bei.
Die angegebene aerodynamische Kennzahl betrug ungefähr:
FM ~0,45
Eingebettete leitfähige Verdrahtungsstrukturen
Multimaterial-FFF-Versuche haben gezeigt, dass Hersteller leitfähige Leiterbahnen in Bauteilen drucken können.
Dadurch entsteht:
- integrierte Stromwege
- ESC-Signalwege
- reduzierte Komplexität des Kabelbaums
Das Ergebnis ist eine einfachere Montage und weniger separate Bauteile.
Wie kontrollieren Luft- und Raumfahrtunternehmen die Qualität von additiv gefertigten Gitterbauteilen?
Die Übertragung additiver Gitterstrukturen von Prototypen in die Flugzeugproduktion erfordert eine strenge Kontrolle.
Bei einem gelungenen 3D-Druckteil geht es nicht nur um die Geometrie.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie benötigt außerdem:
- wiederholbare Produktion
- Materialrückverfolgbarkeit
- Fehlererkennung
- Prozessüberwachung
- zuverlässige Testdaten
Luft- und Raumfahrtnormen wie z. B. AS9100D Die Hersteller müssen verpflichtet werden, jeden Produktionsschritt zu kontrollieren.
Bei Gitterstrukturen gestaltet sich dies schwieriger, da viele wichtige Merkmale im Inneren des Bauteils verborgen sind.
Eine geringfügige Temperaturänderung während des Druckvorgangs kann dünne Gitterstreben beeinträchtigen.
Probleme können folgende Ursachen haben:
- instabile Pulverbettbedingungen
- Nachbeschichtungsbewegung
- Variation der Laserenergie
- ungleichmäßige Wärmeverteilung
Diese Probleme können interne Mängel verursachen, die von außen schwer zu erkennen sind.
Wie verbessert die In-situ-Überwachung die Qualität der additiven Fertigung?
Moderne LPBF-Systeme verfügen über eine geschlossene Regelkreisüberwachung zur Verbesserung der Produktionszuverlässigkeit.
Der Bericht hebt Systeme wie beispielsweise hervor EOS Smart Fusion, welches Folgendes verwendet:
- optische Pyrometrie
- Schmelzbadüberwachung
- thermische Schichtanalyse
Das System überwacht das thermische Verhalten während des Druckvorgangs.
Wenn die Maschine ungewöhnliche Wärmemuster oder lokale Überhitzung erkennt, kann sie die Lasereinstellungen während des Bauvorgangs anpassen.
Dies trägt dazu bei, Folgendes zu reduzieren:
- thermische Verzerrung
- ungleichmäßige Dichte
- Herstellungsfehler
In der Luft- und Raumfahrtproduktion erzeugt diese Art der Überwachung eine digitale Aufzeichnung darüber, wie jedes Bauteil hergestellt wurde.
Warum sind CT-Scans und HIP für Gitterbauteile in der Luft- und Raumfahrt so wichtig?
Herkömmliche Inspektionsmethoden können nicht immer in komplexe Gitterstrukturen hineinsehen.
Eine Komponente kann äußerlich perfekt aussehen, obwohl sie Folgendes enthält:
- innere Poren
- unvollständige Fusion
- eingeschlossenes Pulver
- versteckte Mängel
zerstörungsfrei CT-Untersuchung ermöglicht es Ingenieuren, die innere Geometrie zu überprüfen, ohne das Bauteil auseinanderschneiden zu müssen.
Für metallische Strukturbauteile empfiehlt der Bericht die Kombination folgender Eigenschaften:
- CT-Untersuchung
- körperliche Tests
- Heißisostatisches Pressen (HIP)
- Prozessüberwachung
Dadurch wird ein stärkerer Qualifizierungsweg für Fluggeräte geschaffen.
Wie verändern KI und generatives Design die Gitterkonstruktion in der Luft- und Raumfahrt?
Komplexe Gitterstrukturen können Millionen von Oberflächen und Verbindungspunkten enthalten.
Herkömmliche CAD-Systeme, die auf der Darstellung von Grenzen (B-Rep) basieren, können langsam und schwierig zu handhaben sein.
Moderne implizite Modellierungssysteme lösen dieses Problem auf andere Weise.
Anstatt jede Strebe manuell zu zeichnen, definieren die Ingenieure mathematische Regeln, die die Struktur erzeugen.
Dies ermöglicht Folgendes:
- schnellere Topologieoptimierung
- gleichmäßigere Dichteänderungen
- einfachere Designänderungen
- komplexe innere Geometrien
So können Ingenieure beispielsweise die Gitterdichte schrittweise von einem leichten Bereich zu einem hochfesten Bereich verändern, ohne scharfe Übergänge zu erzeugen.
Wie trägt KI zur Entwicklung neuer Werkstoffe für die Luft- und Raumfahrt bei?
KI wird aber auch jenseits der Geometriegestaltung eingesetzt.
Systeme des maschinellen Lernens können Folgendes analysieren:
- Pulverchemie
- Druckparameter
- Bauhistorie
- Materialleistungsdaten
Dies hilft Forschern, druckbare Materialien schneller zu finden.
Der Bericht stellt fest, dass KI-Ansätze die Entwicklungszyklen für einige fortschrittliche Materialien verkürzt haben, darunter:
- Hoch-Entropie-Legierungen (HEAs)
- Nickel-Titan (NiTi) Formgedächtnislegierungen
von etwa 50%Die
Diese Materialien können Folgendes liefern:
- höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
- besseres Temperaturverhalten
- Schwingungsdämpfungsfähigkeit
Dies könnte die Einsatzmöglichkeiten additiver Gitterstrukturen in zukünftigen Elektroflugzeugen erweitern.
Wie sollten UAV- und eVTOL-Unternehmen die additive Gittertechnologie implementieren?
Unternehmen sollten nicht damit beginnen, alle Komponenten selbst auszudrucken.
Besser ist es, Teile auszuwählen, bei denen die additive Fertigung den höchsten technischen Wert erzeugt.
Das Ziel besteht nicht einfach darin, ein herkömmliches Bauteil durch eine gedruckte Version zu ersetzen.
Ziel ist die Neugestaltung des Systems.
1. Beginnen Sie mit den wertvollsten Strukturbereichen
Die besten ersten Zielpunkte sind Komponenten, bei denen Gewichtseinsparungen zu umfassenderen Vorteilen für das Flugzeug führen.
Beispiele:
- Motorgehäuse
- Propellernaben
- Rumpfverbindungsknoten
- Rotorarmstrukturen
Diese Teile benötigen bereits:
- mechanische Festigkeit
- Thermische Steuerung
- Schwingungsmanagement
- elektrische Integration
Ein einzelnes multifunktionales gedrucktes Bauteil kann mehrere separate Teile ersetzen.
2. Wählen Sie das richtige additive Fertigungsverfahren
Unterschiedliche Bauteile erfordern unterschiedliche Herstellungsverfahren.
Für hochbelastete Luft- und Raumfahrtstrukturen:
LPBF
ist geeignet für Materialien wie:
- AlSi10Mg
- Scalmalloy
- Ti-6Al-4V
Typische Anwendungsbereiche:
- Strukturknoten
- Motorgehäuse
- Rotorkomponenten
Für Bauteile mit geringerer Belastung:
SLS
mit Materialien wie:
- PA11
- PA12
kann geeignet sein für:
- Verkleidungen
- Elektronikgehäuse
- Kanäle
Der Prozess muss den technischen Anforderungen entsprechen.
3. Design für additive Fertigung von Anfang an
Einer der größten Fehler, den Unternehmen begehen, ist, zuerst ein traditionelles Bauteil zu entwerfen und es dann erst später zu drucken.
Additive Fertigung funktioniert am besten, wenn Ingenieure den Prozess von Anfang an mitberücksichtigen.
Wichtige Gestaltungsfaktoren sind:
- Gebäudeausrichtung
- Gitterdichte
- Strebenstärke
- Unterstützungsanforderungen
- Pulverentfernungswege
- Ablauflöcher
- Ermüdungsverhalten
Die Konstruktion für additive Fertigung (DfAM) sollte Teil des ursprünglichen Konstruktionsablaufs sein.
4. Ein robustes Inspektions- und Validierungssystem aufbauen
Einkäufer in der Luft- und Raumfahrtbranche benötigen die Gewissheit, dass jedes gedruckte Teil eine gleichbleibende Leistung erbringt.
Produktionsverträge sollten Folgendes festlegen:
- Anforderungen an die In-situ-Überwachung
- CT-Prüfstandards
- Materialrückverfolgbarkeit
- Ermüdungsprüfverfahren
- HIP-Anforderungen, wo erforderlich
Bei der Qualifizierung geht es nicht nur darum, einen überzeugenden Prototypen zu erstellen.
Es geht darum, tausende Male das gleiche Qualitätsteil herzustellen.
Welche Zukunft haben additive Fertigungs-Gitterstrukturen in der elektrischen Luftfahrt?
Die zukünftige Flugzeugstruktur wird nicht einfach nur leichter sein.
Es wird intelligenter werden.
Ein gedrucktes Motorgehäuse kann auch Folgendes werden:
- ein Kühlsystem
- ein elektromagnetischer Schild
- eine strukturelle Stütze
Ein Auslegerarm kann auch Folgendes umfassen:
- ein Kabelweg
- eine Stromverteilungsstruktur
- eine Schwingungsdämpfungskomponente
Eine Strukturplatte kann auch Folgendes leisten:
- Wärmefluss
- elektromagnetische Signale
- Gewichtsverteilung
Diese Veränderung ergibt sich aus der Kombination von:
- Gitterkonstruktion
- Multimaterialdruck
- KI-Designwerkzeuge
- Hochleistungsmaterialien
- Prozessüberwachung
Die größte Veränderung liegt in der Denkweise der Ingenieure hinsichtlich der Flugzeugteile.
Die Zukunftsfrage lautet nicht:
„Welche Teile können wir im 3D-Druckverfahren herstellen?“
Es ist:
„Welche Systeme können wir zu einer qualifizierten multifunktionalen Struktur kombinieren?“
Hier liegt der größte Mehrwert der additiven Fertigungsgittertechnologie für die Entwicklung von UAVs und eVTOLs.
Häufig gestellte Fragen
Was sind Gitterstrukturen aus der additiven Fertigung?
Kurze Antwort:
Additive Fertigungsgitterstrukturen sind leichte, interne Gerüste, die durch 3D-Druck hergestellt werden. Sie ersetzen unnötiges massives Material durch speziell entwickelte Muster, die die Festigkeit beibehalten und gleichzeitig das Gewicht reduzieren.
Diese Strukturen nutzen Designs wie FCC-, Lord-Kelvin-, Gyroid-, Schwarz-Diamant- und I-WP-Gitter.
Ingenieure können Dichte und Geometrie anpassen, um Folgendes zu steuern:
- Steifheit
- Stärke
- Schwingungsverhalten
- Wärmeübertragung
- elektromagnetischer Schutz
Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt tragen Gitterstrukturen zur Herstellung leichterer UAV- und eVTOL-Komponenten bei, ohne die Teile einfach nur dünner oder schwächer zu machen.
Wie reduzieren Gitterstrukturen das Gewicht von UAVs und eVTOLs?
Kurze Antwort:
Gitterstrukturen reduzieren das Gewicht von Flugzeugen, indem sie Material nur dort platzieren, wo Lasten Unterstützung benötigen, anstatt das gesamte Bauteil mit massivem Material zu füllen.
Ein herkömmlicher Metallblock enthält Material, das möglicherweise nicht zur strukturellen Leistungsfähigkeit beiträgt.
Eine Gitterkonstruktion reduziert unnötige Masse, während wichtige Lastpfade erhalten bleiben.
Der Bericht identifiziert strukturelle Gewichtsreduzierungen von rund 33 %–50 % im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen.
Das tatsächliche Ergebnis hängt von Folgendem ab:
- Material
- Geometrie
- Sicherheitsanforderungen
- Herstellungsverfahren
- Prüfstandards
Welche Gitterstrukturen werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt?
Kurze Antwort:
Zu den gebräuchlichsten Gitterstrukturen in der Luft- und Raumfahrt zählen FCC-, Lord-Kelvin- und TPMS-Strukturen wie Gyroid und I-WP.
FCC-Konstruktionen eignen sich gut für multidirektionale Belastungen.
Lord-Kelvin-Konstruktionen bieten Biegefestigkeit und Energieabsorption.
TPMS-Strukturen erzeugen glatte, durchgehende Oberflächen, die Folgendes tragen:
- Ermüdungsverhalten
- Flüssigkeitsströmung
- Wärmemanagement
- EMI-Absorption
Die korrekte Konstruktion hängt von der Flugzeugkomponente und den Betriebsbedingungen ab.
Können 3D-gedruckte Gitterelemente traditionelle Flugzeugkomponenten ersetzen?
Kurze Antwort:
Ja, aber erst nach technischer Validierung und Qualifizierung.
Additive Gitterelemente können traditionelle Komponenten wie die folgenden ersetzen oder kombinieren:
- Klammern
- Gehäuse
- Rahmenknoten
- Kühlstrukturen
Allerdings müssen Luft- und Raumfahrtunternehmen Folgendes überprüfen:
- Ermüdungslebensdauer
- Materialverhalten
- Produktionskonsistenz
- interne Qualität
- Zertifizierungsanforderungen
Ein gedruckter Prototyp ist nur der erste Schritt.
Was sind die größten Herausforderungen für die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt?
Kurze Antwort:
Die größten Herausforderungen sind die Ermüdungsfestigkeit, die Pulverentfernung, die Simulationsgenauigkeit, das Wärmemanagement, der EMI-Schutz und die Qualitätskontrolle in der Produktion.
Ingenieure müssen Probleme lösen, die durch Folgendes verursacht werden:
- Oberflächenrauheit
- schichtbasiertes Materialverhalten
- eingeschlossenes Pulver
- interne Defekte
- Anforderungen an die Umweltabdichtung
Die Branche begegnet diesen Herausforderungen mit besseren Materialien, verbesserter Software, Überwachungssystemen und strengeren Validierungsmethoden.