AMPHEA - Additive Fertigung für elektrische Plugin-Hybrid-Flugzeuge

Das Forschungsprojekt AMPHEA beschäftigt sich mit der Entwicklung des ersten additiv gefertigten Wärmetauschers für ein Luftfahrzeug als integriertes Strukturbauteil. Das Ziel des Projekts ist die Additive Fertigung eines massen-, belastungs- sowie fertigungsoptimierten Wärmetauscher-Systems für die Luftfahrt, welches direkt in die Außenhaut eines Hybridflugzeugs integriert werden kann. Dabei sollen die für das Laser-Strahlschmelzen erforderlichen Stützstrukturen in die Bauteilgeometrie und -funktion integriert werden, um so den Materialnutzungsgrad des Fertigungsverfahrens zu erhöhen.

Ausgangssituation

Durch die Additive Fertigung von Komponenten ergeben sich neue Designfreiräume, welche zur Massenreduzierung und Effizienzsteigerung genutzt werden können. Darüber hinaus ermöglicht die erfolgreiche Industrialisierung des Laser-Strahlschmelzens, die Fertigung und Ersatzteilbeschaffung dezentral und auf Nachfrage sicherzustellen. Dies resultiert in reduzierten Transport- und Lagerkosten, welche wiederum die Gesamteffizienz der Produktion steigert. Besonders bei innenliegenden Strukturen von Wärmetauschern muss deren qualitativ hohe Verarbeitung sichergestellt und gewährleistet werden. Daher soll das Laser-Strahlschmelzen zukünftig für die Fertigung von komplexen Luftfahrtkomponenten befähigt werden.

Zielsetzung und erwartete Ergebnisse

Das Ergebnis dieses Projekts ist der erste additiv gefertigte Wärmetauscher, welcher in den Rumpf eines Luftfahrzeugs integriert ist. Der Wärmetauscher und die Oberfläche des Luftfahrzeuges stellen hierbei eine Einheit dar. Das Designvorgehen lässt sich auf andere Komponenten der Luftfahrt übertragen, sodass weitere Optimierungspotenziale genutzt werden können. Ebenfalls sollen die Daten aus den Praxistests des Wärmetauschers erste Erkenntnisse liefern, in welchem Maße der Einsatz der Additiven Fertigung in der Luftfahrt weiter ausgebaut werden kann. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Auslegung und Herstellung von Wärmetauschern sind darüber hinaus auch auf andere Anwendungen übertragbar, bei denen eine hohe Wärmeabfuhr gefordert wird. Somit ergibt sich als Ergebnis des Projekts eine Vorgehensweise zur Topologieoptimierung von Luftfahrtkomponenten unter Berücksichtigung von thermischen Randbedingungen.

Vorgehensweise

Das Vorhaben AMPHEA zielt darauf ab, die Potenziale der Additiven Fertigung für die Herstellung von komplexen Wärmetauscher-Systemen für Luftfahrtanwendungen zu erschließen. Dafür ist zunächst ein thermisch und aerodynamisch geeignetes Design auszuarbeiten. Durch eine bionische Auslegung der komplexen und filigranen Strukturen soll der funktionsintegrierte Leichtbau industriell umgesetzt werden. Die Ressourceneffizienz zur Herstellung dieser innovativen Strukturen mithilfe des Laser-Strahlschmelzens auf kleinstem Maßstab wird mittels einer Topologieoptimierung gesteigert. Darüber hinaus erfolgt eine Oberflächenkonditionierung mit dem Ziel der Optimierung des thermischen sowie aerodynamischen Übergangs. Dafür werden auf Basis eines statistischen Versuchsplans geeignete Belichtungsstrategien sowie Stützkonstruktionen identifiziert, deren Übertragbarkeit auf andere geometrisch komplexe Luftfahrtbauteile gegeben sein soll. Abschließend erfolgt die Validierung des entwickelten Systems im realen Testbetrieb. Durch die Untersuchungen wird wesentlich zu einer Befähigung des PBF-LB/M-Prozesses für die Luftfahrt beigetragen.

Dank

Das Forschungsprojekt AMPHEA wird von dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Förderkennzeichen 20Q1955A) gefördert. Wir bedanken uns für die hervorragende Unterstützung und die Kooperation mit den Projektpartnern.

Laufzeit 01.11.2020 – 31.10.2023
Projektpartner AdvanTec GmbH
Förderer Bundesministerium für Wirtschaft und Energie