Nachhaltige Luftikusse Forscher setzen auf 3D-Druck für eine grüne Luft- und Raumfahrt

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Die „ReFuelEU Aviation“-Verordnung will eine Senkung der CO₂-Emissionen der Luftfahrt bis 2050 um 60 Prozent (im Vergleich zu 1990). Die additive Fertigung könnte helfen, das Ziel zu erreichen ...

Außer der „ReFuelEU Aviation“-Verordnung kommt noch ein, wie die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen anmerken, ein umfassendes EU-Weltraumgesetz (EUSL) hinzu. Darin sind Regeln zur Nachhaltigkeit in der Raumfahrt der Zukunft aufgestellt. Wie können also Luft- und Raumfahrt angesichts dieser Regelwerke grüner gestaltet werden? Das fragt sich auch Luke Schüller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-ILT, in einem Fachbeitrag. Er kann auch gleich eine Antwort geben: „Strenge politische Klimaschutzvorgaben können mit Leichtbau, 3D-Druck und neuen Hochleistungswerkstoffen umgesetzt werden.“ Eine Hauptrolle spiele dabei das LPBF-Verfahren (Laser Powder Bed Fusion), bei dem Metallpulver schichtweise per Laserstrahl verschmolzen wird, um so 3D-Bauteile zu fertigen. Diese Methode ermöglicht die Herstellung komplexer und hochfester Bauteile, die nicht nur leichter, sondern auch widerstandsfähiger sind als mit herkömmlichen Methoden gefertigte Komponenten – wichtige Eigenschaften für die Luftfahrt von morgen.

Mit Spezialpulver in die Wasserstoffzukunft

Das ILT arbeitet deshalb an entsprechenden Entwicklungen im Rahmen der Forschungsinitiative „TIRIKA“ (Technologien und Innovationen für eine ressourcenschonende, klimafreundliche Luftfahrt) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz. Der Schwerpunkt liegt auf der Nutzung von Wasserstoff als emissionsfreien Energieträger für die Luftfahrt. Die Forscher haben mit Materialherstellern bereits spezielle Pulver entwickelt, die den hohen Anforderungen der Luftfahrtindustrie für Wasserstoffantriebe gerecht werden, wie man erfährt. Die Experten haben LPBF-Prozesse für handelsübliche Werkstoffe entwickelt und schließlich in Zusammenarbeit mit den Partnern durch verschiedene Prüfverfahren validiert. Durch gezielte Prozessanpassungen im LPBF-Verfahren kann man eine relative Bauteildichte von über 99,5 Prozent und eine hohe Aufbaurate von über 100 cm³/h erreichen, betont Schüller. Die Aluminiumlegierungen sind aber nicht nur leicht und hochfest, sondern auch widerstandsfähig bei Berührung mit Wasserstoff, der bei hohen Temperaturen und Drücken zu Versprödung und Materialermüdung führen kann. Das mache sie zu idealen Kandidaten für den Einsatz in den zukünftigen emissionsfreien Wasserstoff-Triebwerken. Hinzu kommt, dass die neuen Pulver aufgrund des gleichmäßigen Laserschmelzverfahrens es erlauben, komplexe Geometrien und Funktionsstrukturen, die mit Gießen oder Schmieden nicht machbar sind, herzustellen.

So erkennt man 0,4-Millimeter-Partikel elektronisch

Während des additiven Fertigungsprozesses erkennt eine präzise Sensorik Artefakte bis zu einer Größe von 0,4 Millimetern direkt im Pulverbett sowie im Schmelzprozess, heißt es weiter. So könnten zeitaufwändige nachgelagerte Prüfungen minimiert und die Produktionseffizienz erheblich gesteigert werden. Fortschrittliche Verfahren beeinflussen jedoch nicht nur die Qualität und Effizienz der Produktion, sondern auch deren ökologische Bilanz. Das ILT setzt beim Bewerten der Umweltfreundlichkeit von additiven Fertigungsprozessen dabei auf Life Cycle Assessment (LCA). Dabei wird der gesamte Lebenszyklus eines Bauteils betrachtet, was sich von der Rohmaterialbeschaffung über die Fertigung bis zum Recycling erstreckt. Das Life Cycle Assessment gilt als ein unverzichtbares Instrument, um die Umweltwirkungen von Produkten über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg zu bewerten und nachhaltige Alternativen zu identifizieren. Um diesen umfassenden Prozess effektiv zu gestalten, sei es jedoch entscheidend, bereits in einer frühen Phase der digitalen Wertschöpfungskette qualitativ hochwertige und aussagekräftige Daten zu erhalten.

Ein aufwändiges Verfahren punktet gleich dreifach

Drei wichtige Argumente sprechen für diesen anfangs sehr mühevollen Weg! Erstens ermöglichen Daten eine schnellere und effizientere Gestaltung von Anlaufprozessen für neue Produkte. Zweitens unterstützen sie die Bewertung von Qualität, Kosten, Energie- und Ressourcenverbrauch im Produktionszyklus. Und drittens tragen sie zu einer höheren Transparenz in den Prozessen und so zur Optimierung der gesamten Fertigungskette bei, wie die Projektpartner aufzählen. Die Ergebnisse der LCA-Analysen zeigten, dass trotz des vergleichsweise hohen Energieverbrauchs während des LPBF-Prozesses der ökologische Fußabdruck der additiven Fertigung deutlich kleiner ausfalle als bei konventionellen Produktionsmethoden. Der 3D-Druck eignet sich also besonders zur Reparatur von Bauteilen, weil er Materialverluste minimiert und Ressourcen schont.

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