Jordan Weininger ist Advanced Composites Engineer bei der United States Air Force. Er arbeitet im Advanced Composites Office auf der Hill Air Force Base. Die hier von Jordan Weininger geäußerten Meinungen beruhen auf seinen eigenen Erfahrungen und spiegeln nicht die Meinung der US-Luftwaffe wider.

Die Fertigungstechnologien der Zukunft sind bereits da, aber die Herausforderung besteht darin, diese Technologien in die Branchen zu bringen, in denen sie einen Unterschied machen können. Es geht nicht nur darum, die Technologie zu entwickeln, sondern auch sicherzustellen, dass man über wiederholbare Prozesse und zulässige B-Basiswerte verfügt – die minimal zulässigen mechanischen Eigenschaften, die für die Konstruktion eines Teils aus einem bestimmten Material erforderlich sind -, um diese neuen Technologien in der realen Welt umzusetzen.

Durch meine derzeitige Arbeit im Bereich der Verbundwerkstofftechnik in der Gruppe für fortschrittliche Verbundwerkstoffe auf der Hill Air Force Base hatte ich das Glück, einen Einblick in die Anwendungen der fortschrittlichen additiven Fertigungstechnologie in der Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungsindustrie zu erhalten und die größeren Auswirkungen des industriellen 3D-Drucks außerhalb des Verteidigungsministeriums kennenzulernen.

F-16 Fighting Falcon verlässt die Hill Air Force Base

Verbundwerkstofftechnik ist ein Bereich, der jedes Jahr in immer mehr Branchen Anwendung findet. Der Wunsch, in diesem Bereich zu arbeiten, führte mich zur Luftwaffe und speziell zum Advanced Composites Office. Dies ist ein Büro der Luftwaffe, aber wir unterstützen alle Organisationen des DoD. Zusätzlich zu den Problemen in den Bereichen Design, Analyse, Technik und Reparatur von Verbundwerkstoffen bieten wir auch einwöchige Kurse für DoD-Organisationen und deren Mitarbeiter an. Diese Kurse umfassen eine Einführung in die Verbundwerkstofftechnik und einen fortgeschrittenen Technikerlehrgang. In diesen Kursen können Studenten aus dem gesamten Verteidigungsministerium praktische Erfahrungen bei der Konstruktion und Reparatur von Verbundwerkstoffen sammeln.

Während meiner Arbeit in verschiedenen Branchen habe ich unzählige Geschichten über die additive Lösung von Prototyping-Problemen für Unternehmen, insbesondere für kleine Unternehmen, gehört. Im Produktionszyklus von Kleinunternehmen ist die Möglichkeit, funktionale Komponenten zu prototypisieren, bevor man die Schritte durchläuft, die notwendig sind, um die Massenproduktion hochzufahren, entscheidend für den Erfolg.

Mit den verschiedenen druckbaren Materialien, die heute zur Verfügung stehen – von Metallen über Verbundwerkstoffe bis hin zu thermoplastischen Kunststoffen, die nicht nur aus PLA bestehen -, ermöglicht der 3D-Druck Passform- und Funktionstests für Ingenieure und bietet das notwendige Digitalisierungsmedium, um in den frühen Phasen der Produktentwicklung einen Business Case zu erstellen. Es ist nicht unbedingt der additive Teil, der ein Problem vollständig löst, sondern der 3D-Druck im Allgemeinen. Die Technologie des 3D-Drucks bereichert so viele entscheidende Schritte im Designprozess, dass sich Produktionsprobleme leichter lösen lassen.

Ich denke, dass die additive Fertigung im Bereich der Werkzeuge zunehmen wird: Halterungen und Scharniere, Befestigungen und Fertigungshilfen. In naher Zukunft werden wir erleben, dass der 3D-Druck den Bereich der funktionalen Endverbrauchsteile erfasst. Es begann mit PLA, das jeder in seiner Garage drucken kann. Jetzt, da Unternehmen wie Markforged in der Lage sind, Verbundwerkstoffe und Metalle zu drucken, öffnen diese stärkeren und nützlicheren Materialien eine ganz neue Tür für die additive Fertigung.

Die Qualität und Stärke der für den 3D-Druck verfügbaren Materialien verändert die wirtschaftlichen und technologischen Möglichkeiten für alle Arten von Unternehmen. Wenn es sich um ein Teil mit geringer Stückzahl handelt, ist der 3D-Druck jetzt billiger als die Herstellung einer Form oder die CNC-Fertigung von Teilen aus einem Block. Dies öffnet einer Reihe neuer Branchen die Tür für die Einführung des 3D-Drucks.

Wartungsarbeiten an einer C-130 auf der Hill Air Force Base

Die direkten Anwendungen für den 3D-Druck in der Luftwaffe und beim Militär nehmen ebenfalls zu. Es gibt zwei Schlüsselbereiche, die sich direkt auf die Nutzung der additiven Fertigung durch das Militär beziehen.

1. Kleinserienfertigung: Bei den Flugzeugen, an denen wir arbeiten, stellen wir keine Hunderttausende von Teilen her, wie es bei einem Produktionsteil der Fall wäre. Bei Luft- und Raumfahrt und militärischen Anwendungen handelt es sich meist um Kleinserien, und manchmal können diese Teile je nach der verfügbaren additiven Fertigungstechnologie auch vor Ort hergestellt werden.

2. Verteilte Fertigung: Die Stärke der additiven Fertigung liegt auch in ihren verteilten Eigenschaften. Wenn die 3D-Drucker kostengünstig an verschiedenen Standorten aufgestellt werden können, müssen Sie, wenn etwas kaputt geht, nicht erst ein neues Teil aus der ganzen Welt herbeischaffen. Bei der additiven Fertigung ist man nicht auf eine einzige Produktionsquelle angewiesen. Mehrere Drucker an verschiedenen Standorten können Teile herstellen.

Aufgrund dieser Faktoren sehe ich, dass die additive Fertigung im Militär und in der Luft- und Raumfahrt eine viel größere Rolle spielen wird.

Eine Luftaufnahme von ausgemusterten Militärflugzeugen im Lager

Das Büro für fortschrittliche Verbundwerkstoffe hat die Aufgabe, Lösungen für die Entwicklung, Analyse, Konstruktion und Reparatur von Verbundwerkstoffen zu finden, insbesondere durch das Life Cycle Management Center, das sich mit der Reparatur älterer Flugzeuge befasst. Oft sind die Originalwerkzeuge für Flugzeuge zerstört oder verlegt worden, und wir können additive Verfahren einsetzen, um neue Werkzeuge für diese Flugzeuge herzustellen, damit sie weiterhin fliegen können.

Eines meiner Hauptziele ist die Entwicklung von additiven Werkzeugen, mit denen wir Verbundwerkstoffe für diese Flugzeuge herstellen können. Wenn wir Teile für ein älteres Flugzeug herstellen, für das wir keine Werkzeuge oder CAD-Daten mehr haben, erstellen wir manchmal einen 3D-Scan eines vorhandenen Teils und gehen dann davon aus, um ein Modell zu erstellen, das wir dann in 3D drucken und als Werkzeug für dieses Teil verwenden können.

Collin Fisher, 533rd Commodities Maintenance Squadron, arbeitet mit einem Flugzeugteil der F-16 Flügelmontage

Im Büro für fortschrittliche Verbundwerkstoffe interessieren wir uns für den 3D-Druck aus der Perspektive der Verbundwerkstoffe und wie er den Herstellungsprozess unterstützen kann. Derzeit verwenden viele Unternehmen in großem Maßstab 3D-gedruckte Fused Deposition Modeling (FDM)-Teile für die Werkzeugherstellung, aber sie müssen die Teile nach dem Druck nachbearbeiten, bevor sie für ein Verbundwerkstofflabor vorbereitet werden.

Das bedeutet, dass eine genaue CAD-Zeichnung oder ein CAD-Modell gedruckt werden muss, das dann auf einer CNC-Maschine bearbeitet wird und dann mit einer Mischung aus Dichtungsmitteln, um es vakuumdicht zu machen, und Formtrennmitteln für den Verbundwerkstoffaufbau vorbereitet wird. Diesen Schritt – das Aufsetzen auf die CNC-Maschine – würden wir gerne abschaffen, weil er viele Vorteile der additiven Fertigung von Werkzeugen zunichte macht.

Meiner Meinung nach liegen die Vorteile der additiven Fertigung von Werkzeugen vor allem darin, dass man schnell und einfach ein Teil erhält, das genau dem CAD-Entwurf entspricht. Wenn man die Form erst nachbearbeiten muss, bevor man sie für die Herstellung eines Verbundstoffteils verwendet, könnte man auch eine Art Werkzeugplatte verwenden, die viel billiger ist und sich genauso leicht bearbeiten lässt. Wenn wir jedoch den Schritt der Nachbearbeitung eliminieren können, können wir viel Zeit und Energie sparen.

Wenn wir ein 3D-gedrucktes Teil mit einer vakuumdichten Oberfläche herstellen, ohne Nachbearbeitung, manuelles Schleifen oder irgendetwas, das die Genauigkeit der Geometrie beeinträchtigen könnte, kann ich mir eine Welt vorstellen, in der die additive Fertigung in großem Umfang für die Herstellung von Verbundwerkstoffwerkzeugen eingesetzt wird. Das ist ein wirklich wichtiger Bereich, der für den 3D-Druck gerade erst am Horizont auftaucht.