Anzeige
Anzeige
Anzeige
Beitrag drucken

Bis zu 63 Tonnen Kerosin sparen – pro Jahr

Produktdesign ex Machina

Das große Gewicht der Maschinen treibt die Treibstoffkosten für Flugzeuge in die Höhe. Gewichtsreduktion scheint, bei all der Technik an Bord, nur schwer möglich. Im Pier 9 Technology Center von Autodesk in San Francisco haben sich Wissenschaftler mit dem Problem befasst. Das Ergebnis ist ein aus Magnesium gefertigter Sitzrahmen für Verkehrsflugzeuge. Ein Airbus A380, der mit diesen Rahmen ausgestattet ist, sollte aufgrund der Gewichtseinsparung 63 Tonnen Kerosin pro Jahr weniger verbrennen.

Gewichtsreduktion von Flugzeugen durch verbessertes Produktionsdesign

Bild: Autodesk GmbH

Der Sitzrahmen ist mit seinen 766 Gramm insgesamt 906 Gramm und somit 56 Prozent leichter als derzeit im Flugzeugbau standardmäßig eingesetzten Varianten. Bei einem Airbus A321 bedeutet dies eine Gewichtsreduktion von 214 Kilogramm, beim Airbus A380 sogar 557 Kilogramm. Ein A321 verbraucht dadurch fast 10 Tonnen weniger Kerosin pro Jahr, ein A380 kommt auf eine Ersparnis von 63 Tonnen. Auch der Ausstoß von Treibhausgasen verringert sich durch den Einbau der neuen Sitze: Die kleine Maschine stößt dank der Gewichtsersparnis fast 29 Tonnen weniger Kohlenstoffdioxid aus. Beim zweistöckigen A380 fallen sogar 190 Tonnen weg.

Algorithmus optimiert Design

Für die Neuentwicklung setzten Andreas Bastian, Principal Research Scientist bei Autodesk, und sein Team auf ein recht neues Konzept: das generative Design. Ein Software-Algorithmus entwickelte dabei auf Grundlage genauer Vorgaben der Forscher selbstständig den Entwurf. So sollte der Sitzrahmen mindestens die gleiche Stabilität aufweisen wie die derzeit am Markt verfügbaren Produkte, gleichzeitig aber viel weniger wiegen. Das speziell für additive Fertigungsmethoden entwickelte Designprogramm Autodesk Netfabb optimierte auf Grundlage der durch das Team vorgegebenen Bedingungen die Gitter- und Oberflächenstruktur des Rahmens eigenständig. Das Resultat war eine verwindungssteife Struktur. Diese brachte wiederum neue Herausforderungen mit sich. Der computergenerierte Entwurf hätte sich nämlich nur sehr schwer und damit kostenintensiv mit klassischen Fertigungsmethoden wie dem Metallguss reproduzieren lassen. Auch die Gitterstruktur des Sitzrahmens im rein additiven Verfahren, also per 3D-Metalldruck, zu fertigen war keine Option – bei der Verarbeitung von Metallen im 3D-Druck gibt es immer noch starke Einschränkungen, was die Zahl der möglichen Materialen anbelangt. Anders ist das beim Metallgussverfahren. Dabei können hunderte verschiedene Legierungen mit den unterschiedlichsten Materialeigenschaften verarbeitet werden. „Die additive Fertigung hat ein riesiges Potential, die Zukunft der Produktion zu bestimmen. Für Produktentwickler und Konstrukteure ist sie aber immer noch ein extrem neues Konzept. Das Metallgussverfahren wurde dagegen über Jahrtausende perfektioniert. Zahllose Experten, Ingenieure, Gießereien und Fabriken verfügen hier über tiefgreifendes Fachwissen. Das ist unglaublich wertvoll, gerade auch bei besonders aufwändig zu fertigenden Bauteilen wie unserem Sitzrahmen“, erklärt Bastian.

Verfahren kombinieren

Eine Kombination aus beiden Verfahren erwies sich am Ende als die beste Lösung. Denn die komplexe Struktur des Sitzes ließ sich im 3D-Druckverfahren wesentlich einfacher umsetzen, als beim klassischen Gussverfahren. Das wiederum erlaubte die Wahl des bestmöglichen Materials. So wurden zunächst die Positivformen der Sitzrahmen aus Plastik gedruckt – Plastik deshalb, weil es günstiger sowie schneller und unkomplizierter zu verarbeiten ist als Metall. Die Positivform diente als Vorlage für Keramikgussformen, die dann für die Herstellung der eigentlichen Sitze im Metallgussverfahren verwendet wurden. Durch diese Methode lassen sich große Stückzahlen einfach und günstig produzieren.

Gewichtsreduktion von Flugzeugen durch verbessertes Produktionsdesign

Bild:: Autodesk GmbH

Magnesium statt Aluminium

Die tatsächliche Fertigung der Sitzrahmen übernahm die Gießerei Aristo Cast aus Michigan. „Wir waren gleich von der Idee begeistert. Auch wir haben dabei viel über generatives Design und additive Optimierungsmöglichkeiten im Fertigungsprozess gelernt. Beides sind für unsere Branche noch weitgehend neue Ansätze“, sagt Paul Leonhard von Aristo Cast. Die Projektverantwortlichen aus Michigan hatten zudem eine weitere Idee, um das Gewicht des Sitzrahmens zu reduzieren. Sie empfahlen ihn aus Magnesium zu fertigen, anstatt auf das im Flugzeugbau verbreitete Aluminium zu setzen. Dies erhöhte zwar den Fertigungsaufwand, bedeutete aber eine zusätzliche Gewichtsersparnis von 35 Prozent gegenüber der ursprünglich geplanten Ausführung in Aluminium. Im klassischen Designprozess hätte diese Entscheidung den Herstellungsprozess deutlich verkompliziert. Bastian und sein Team ließen den Designentwurf daher mit Blick auf das neue Fertigungsmaterial in Nettfab prüfen. Dieser erneute Durchlauf zeigte, dass die Veränderung des Materials keine Einschränkungen mit sich brachte. Im Gegenteil, er bestätigte die gewünschten Eigenschaften des Entwurfs: vergleichbare Stabilität bei wesentlich geringerem Gewicht. Eine Serienfertigung des Leichtbau-Sitzrahmens aus Magnesium ist somit möglich.

Verfahren mit Potenzial

Die hybride Fertigung hat in Kombination mit innovativen Entwicklungsverfahren wie dem generativen Design großes Potential, um die Zukunft der Produktion zu bestimmen. Allerdings ist es wichtig, diesen Ansatz schon in der Entwicklungsphase miteinzubeziehen, um seinen Nutzen zu maximieren. Die notwendigen Werkzeuge dafür stehen bereits zur Verfügung. Doch auch Expertenwissen sollte in diesem Zusammenhang nicht unterschätzt werden.

Gewichtsreduktion von Flugzeugen durch verbessertes Produktionsdesign

Bild: Autodesk GmbH


Das könnte Sie auch interessieren:

Früher war Scada oft nur zweckmäßiges Instrument zur Anlagen- und Prozessverwaltung. Doch im Zeitalter des Internet of Things und damit verbundenen neuen Geschäftsmodellen rückt auch die Bedeutung der Scada-Plattform an eine bedeutendere Stelle.‣ weiterlesen

Viele große Unternehmen investieren derzeit in Digitaltechnik, um Transparenz in ihre Lieferketten zu bringen - und so Kosten einzusparen. Mit Radio-Frequency-Identification(RFID)-Technik von Kathrein werden die Durchläufe bei einem Stuttgarter Automobilhersteller besser planbar und Wartezeiten kürzer.‣ weiterlesen

Mit der Übernahme des IoT-Spezialisten Bright Wolf, will der IT-Dienstleister Cognizant seine Expertise im Bereich Internet of Things erweitern.‣ weiterlesen

Vorherzusagen, wann ein Werkzeug kaputt geht, ist nicht leicht. Mittels der Messung von Schallemissionen ist dies zwar möglich, aber auch teuer. Kombiniert man jedoch gängige Verfahren mit neuen Technologien, ergeben sich immer bessere und schnellere Verfahren.‣ weiterlesen

Seit dem 25. Mai 2018 gilt die europäische Datenschutzgrundverordnung, meist nur DSGVO genannt. Der IT-Sicherheitsspezialist Rohde & Schwarz Cybersecurity berichtet, wie es um die Umsetzung in der hiesigen Industrie steht.‣ weiterlesen

In vielen Ländern Europas scheint sich der Arbeitsmarkt zu stabilisieren. Darauf deuten die Zahlen des Europäischen Arbeitsmarktbarometers hin, das nun erstmals veröffentlicht wurde.‣ weiterlesen

Eine IoT-Sicherheitsarchitektur sollte sowohl in IT- als auch in OT-Umgebungen für mehr Transparenz sorgen und Prozesse schützen. Dazu müssen die Daten aus dem IoT-Edge erfasst und extrahiert werden. Auf dieser Grundlage können Unternehmen effizienter agieren, bessere Geschäftsentscheidungen treffen und Digitalisierungsprojekte beschleunigen.‣ weiterlesen

GBTEC und Proalpha haben angekündigt, zukünftig in den Bereichen Process Mining und Business Intelligence zusammenzuarbeiten. Kunden sollen so einen Mehrwert bei der digitalen Transformation erhalten.‣ weiterlesen

Beim Anlagen- und Werkzeugbau setzt die Volkswagen AG auf Datendurchgängigkeit. Die Projektmanagement-Software Coman vernetzt die Projektbeteiligten dazu durchgängig und digital, bis hin zu den Zulieferern. Denn wenn Manager Giuseppe Lo Presti früh erkennt, dass es in einem Gewerk gerade nicht rund läuft, können gezielte Maßnahmen erfolgen.‣ weiterlesen

Mehr als eine Milliarde Schadprogramme verzeichnet das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik im aktuellen Lagebericht. Und auch die Corona-Pandemie wirkt sich auf die aktuelle Sicherheitslage aus.‣ weiterlesen

Eine Voraussetzung bei der Entwicklung von industriellen KI-Anwendungen sind ausreichende Daten. Diese sind jedoch nicht immer in der benötigten Menge, Qualität oder Struktur vorhanden. Anhand eines konkreten Beispiels erläutert dieser Beitrag, wie sich ein Data Lake anlegen und mit Daten füllen lässt, bis er ein Fundament für quasi beliebige KI-Applikationen bildet.‣ weiterlesen

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige