3D-gedruckte Triebwerksabdeckungen unterstützen die Wartung von Flugzeugen

Wie ein spezialisiertes lokales Ingenieurbüro eine große Fluggesellschaft während der Pandemie mit 3D-gedruckten Gussformen zur Herstellung von Triebwerksabdeckungen unterstützen, damit die Wartung vereinfachen und Lieferketten drastisch verkürzen konnte.
Durch die Nutzung des Großformat-3D-Druckers von BigRep konnte schnell reagiert, und maßgeschneiderte Werkzeuge sowie Ausrüstung In-House und in Originalgröße hergestellt werden. Damit konnten die dringendsten Bedürfnisse der Fluggesellschaft während der COVID-Pandemie abgedeckt werden.

Großformatiger 3D-Druck

Kein Flugverkehr durch COVID-19

Im März 2020 kam die Welt plötzlich zum Stillstand. Die COVID-19-Pandemie brachte den Großteil aller Reisetätigkeiten zum Erliegen, wodurch 62% aller Passagierflugzeuge dazu gezwungen waren, auf dem Boden zu bleiben. Daraus ergab sich eine Vielzahl von Herausforderungen, wie beispielsweise ein Mangel an Abstellflächen und steigende Wartungskosten für Flugzeuge, die nicht für derart lange Stillstandszeiten ausgelegt sind. Scandinavian Airlines (SAS) sahen sich insbesondere vor das Problem gestellt, dass ihre Flugzeuge dem üblicherweise sehr strengen norwegischen Winter ausgesetzt waren.

Eine ganze Flugzeugflotte am Boden zu betreuen ist keine einfache Aufgabe. Wenn sie über einen längeren Zeitraum abgestellt werden, dann müssen Flugzeugtriebwerke sowohl vor der Witterung als auch vor anderen schädlichen Einflüssen wie Fremdkörpern und Tieren geschützt werden. Fluglinien haben hier nur eine beschränkte Auswahl an Möglichkeiten, wie beispielsweise eine längerfristige Lagerung in einem warmen, trockenen Klima, oder ein Ansatz, der die Flugzeuge in einem flugbereiten Zustand hält. Dieser beinhaltet das Abdecken der Triebwerke, während das Flugzeug geparkt ist, sowie wöchentliche Überprüfungen der Betriebsfähigkeit.

Das Standardverfahren erfordert verschiedene Abdeckungen, um zu verhindern, dass die Triebwerke durch Feuchtigkeit oder Gegenstände beschädigt werden, während die Luftfeuchtigkeit mit Hilfe von Trocknungsmitteln stabil gehalten wird. Leider waren bei SAS die erforderlichen Triebwerksabdeckungen, Auslassverschlüsse und andere Hilfsmittel für die zusätzlich eingelagerten Flugzeuge nicht in ausreichender Menge vorhanden. Ohne geeignete Ausrüstung war das Parken der Flugzeuge also keine Option.

Anfangs griff SAS als Notlösung auf Plastikplanen und Klebeband zurück – nur akzeptabel für eine kurzzeitige Einlagerung in kleinem Maßstab. Da die Flugzeuge aber über einen längeren Zeitraum hinweg nicht eingesetzt werden konnten, mussten die Triebwerke einmal wöchentlich angelassen und dazu abgedeckt werden. Jason Deadman, Produktionsingenieur bei SAS, beschreibt den achtstündigen Vorgang des Aus- und Einpackens, der für die Überprüfung der Triebwerke notwendig war, als "sehr aufwändig".
Mit dem Fortschreiten der Pandemie wurde eine schnellere und kosteneffizientere Lösung erforderlich, die auch für einen längeren Zeitraum geeignet war.

Unterbrechungen der Lieferketten

Natürlich wäre es einfach gewesen, schlichtweg mehr dieser Triebwerksabdeckungen zu bestellen. COVID-19 hatte aber einen Dominoeffekt in den weltweiten Lieferketten ausgelöst. Der Zugriff auf Rohmaterialien war durch Lockdowns eingeschränkt, was die Fertigung verzögerte und dazu führte, dass insgesamt weniger Produkte hergestellt wurden. Eine Umfrage ergab, dass lediglich ein Bruchteil der in Lieferketten eingebundenen Firmen ihr Geschäft ohne Störungen weiterführen konnten.

Die rechtzeitige Beschaffung von Teilen von den üblichen Herstellern wurde beinahe unmöglich. Diese Probleme erforderten kreative Lösungen. Einige Firmen begannen damit, neue Wege zu beschreiten, wie beispielsweise ein Umschwenken auf interne Fertigung, das Chartern von Frachtschiffen, oder ein Redesign von Produkten, um Vorhandenes nutzen zu können.

Insbesondere sahen sich Fluglinien vor das Problem gestellt, dass die notwendige Ausrüstung für die Betreuung der Flugzeuge am Boden nicht vorhanden war. SAS fasste daher den Entschluss, die Lieferketten zu verkürzen, und stärker auf lokal verfügbare Ressourcen zurückzugreifen. Damit ließe sich nicht nur den logistischen Herausforderungen begegnen, SAS würde auch entscheidende Schritte in Richtung eines umweltfreundlicheren Unternehmens mit geringeren Betriebsrisiken machen.

Unkonventionelles Denken mit 3D-Druck

Wenn man die Lieferkette verkürzen möchte, dann muss man sich auf die Suche nach lokal verfügbaren Möglichkeiten machen. Bei SAS zog Jason den Einsatz additiver Fertigungsverfahren wie beispielsweise den 3D-Druck als Lösung für die Lieferkettenprobleme in Betracht. Schließlich ließen sich die Vorzüge des 3D-Drucks mit den Anforderungen und Werten des Unternehmens in Einklang bringen. Dazu gehören eine schnelle Fertigung, flexibles Produktdesign, geringe Stückzahlen, niedrige Kosten, und ein Minimum an Abfall.

Es ist einfach, kleine Bauteile mit Hilfe dieser Technologie herzustellen. Aber wie ließ sich damit Ausrüstung im erforderlichen Maßstab für den Einsatz an Flugzeugen produzieren? Trotz der Einschränkungen vieler 3D-Drucker in Bezug auf Material und Baugröße schien sich hier eine Lösungsmöglichkeit für die Fluglinie aufzutun. SAS fragte einen lokalen Anbieter, CNE Engineering, ob und wie der 3D-Druck bei ihrem Problem der stillgelegten Flugzeuge helfen könnte.

Nathan Brown, der Gründer von CNE Engineering, begann damit, sich die Materialanforderungen für die Auslasscover der Triebwerke anzusehen. Diese mussten extremen Außentemperaturen standhalten und widerstandsfähig sowohl gegen chemische Substanzen als auch gegen UV-Strahlung sein. Sie mussten außerdem weich, aber auch robust sein. Weder das Triebwerk noch die Abdeckung selbst durften während des Anbringens oder des Abnehmens beschädigt werden. Auf dieser Grundlage entschied sich Nathan für gießbares Polyurethan, ein allgemein verfügbares und kostengünstiges Material.

Die Lösung: Großformatiger 3D-Druck mit BigRep

Das Material, in Verbindung mit der von SAS benötigten Stückzahl zwischen 20 und 100 Teilen, machte das Gießen zum idealen Fertigungsprozess. Glücklicherweise waren CNE in der Lage, die Gussformen oder Werkzeuge, die zur Herstellung des von SAS benötigten Equipments notwendig waren, mit ihrem 3D-Drucker herzustellen. Auch SAS' Vorstellungen bezüglich der Lieferzeit konnten eingehalten werden. Die erste Lieferung machte sich bereits einige Wochen nach Beginn des Projekts auf den Weg.
Durch die Nutzung ihres Großformat-3D-Druckers von BigRep konnte CNE schnell reagieren, und maßgeschneiderte Werkzeuge und Ausrüstung In-House und in Originalgröße herstellen. Damit konnten sie die dringendsten Bedürfnisse von SAS während der COVID-Pandemie abdecken.

Vom Konzept zur Fertigung

Nachdem das Herstellungsverfahren geklärt war, mussten die technischen Details der Fertigung betrachtet werden. Weil die Entscheidung für einen Gießprozess getroffen worden war, konstruierte CNE die Gussformen und kombinierte dabei verschiedene Materialien. Diese mussten flüssigkeitsdicht und widerstandsfähig gegen Chemikalien sein, aber auch eine leichte Entformung der Bauteile erlauben. Im BigRep ONE 3D-Drucker konnten sowohl Ober- als auch Unterteil jeweils im Ganzen hergestellt werden, ohne sie trennen oder segmentieren zu müssen.
Der BigRep STUDIO wurde zur Fertigung von Formbauteilen verwendet, die feinere Strukturen aufwiesen und daher mit einem höheren Detailgrad gedruckt werden mussten. Dazu gehörten beispielsweise die für die Griffe benötigten Hinterschneidungen.

Die Herstellung lief wie folgt ab: Das Werkzeug für den Urethan-Guss wird gedruckt und zusammengebaut; das dauert einige Tage. Dann wird flüssiges Urethan in die Form gegossen und härtet binnen weniger Stunden aus. Schließlich lässt sich das fertige Bauteil von einer Person allein in ein paar Minuten aus der Form lösen.

SAS erhielt die erste Lieferung schon zwei Monate nach dem Kick-Off-Meeting. Weitere Aufträge in ähnlichen Stückzahlen aber in anderen Größen für unterschiedliche Flugzeugtypen folgten. Aufgrund der maßangefertigten Abdeckungen ist das bislang stundenlange Ein- und Auspacken der Triebwerke für die Wartungstechniker nur noch eine Frage von Minuten.

Wohin wird uns der 3D-Druck in Zukunft führen?

CNE Engineering konnte mit Hilfe ihres BigRep 3D-Druckers drei wichtige Anforderungen der Konstruktion erfüllen:

1. Stand eine Reihe von Materialien zur Verfügung, sodass Tests und Experimente mit unterschiedlichen Werkstoffen durchgeführt werden konnten.
2. War der ein Kubikmeter große Bauraum des BigRep ONE ausreichend um die Bauteile, die immerhin die Ausmaße des Auslasses eines Flugzeugtriebwerks hatten, in einem Stück zu drucken.
3. Und drittens erlaubte die Ausrichtung der Materialschichten in der gedruckten Form das Gießen und Entformen.

Großformatiger 3D-Druck ist ein aufregendes neues Fertigungsverfahren für Situationen, die einzigartige Lösungen erfordern, wie beispielsweise eine Kombination aus komplexer Formgebung und einem flexiblen Material.

Nathan bei CNE sieht unbegrenzte Möglichkeiten für den Einsatz großformatigen 3D-Drucks. Er plant, seine Dienstleistungen der Konstruktion und des 3D-Drucks von Werkzeugen und Ausrüstung auf weitere Fluglinien mit ähnlichen Anforderungen ebenso auszuweiten wie auf andere Industriebranchen. Hier sieht er beispielsweise Werkzeughalter, Fördergeräte, Vorrichtungen und andere Hangarausstattungen als vielversprechende Anwendungsgebiete für großformatigen 3D-Druck. Das Ziel lautet ganz klar: "Finde Kunden und ihre Bedürfnisse".