Auf einen Blick: Dieser Leitfaden beleuchtet, wie die additive Fertigung die Entwicklung und Produktion von UAVs für den Verteidigungsbereich, VTOL-Flugzeugen (Vertical Take Off and Landing) und 3D-gedruckten VTOL-Drohnen verändert. Erfahren Sie, wie Hersteller in der Luft- und Raumfahrt den 3D-Druck nutzen, um Gewicht zu reduzieren, Bauteile zu konsolidieren, die Entwicklung zu beschleunigen, flugtaugliche Komponenten herzustellen und die Produktion mithilfe fortschrittlicher Werkstoffe und für die Luft- und Raumfahrt zugelassener Arbeitsabläufe zu skalieren.
Nicht jedes UAV-Programm stellt die gleichen Anforderungen an die Fertigung. Bei einem kleinen taktischen UAS stehen möglicherweise Geschwindigkeit, eine Fertigung mit geringem manuellem Aufwand, verfügbare Materialien und schnelle Iterationen im Vordergrund. Ein größeres UAS der Gruppe 4 oder 5 erfordert hingegen möglicherweise Standards auf Luft- und Raumfahrtniveau in Bezug auf Lufttüchtigkeit, Materialqualifizierung, Prozesskontrolle, Rückverfolgbarkeit und Zuverlässigkeit über den gesamten Lebenszyklus.
Die additive Fertigung bietet mehr als nur Rapid Prototyping für UAV- und VTOL-Programme im Verteidigungsbereich. Von der Beschleunigung der Flugzeugentwicklung und der Gewichtsreduzierung bis hin zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit der Lieferkette und der Unterstützung einer konformen Produktion – sie hilft Herstellern dabei, einige der drängendsten technischen Herausforderungen der Branche zu bewältigen.
Eine der größten Chancen der additiven Fertigung in UAV- und VTOL-Programmen besteht nicht einfach darin, Teile schneller zu drucken. Vielmehr geht es darum, die Anzahl der Teile zu reduzieren, die gefertigt, montiert, geprüft, gelagert und gewartet werden müssen. Häufig lassen sich mehrere Komponenten zu einem einzigen gedruckten Teil zusammenfassen, wodurch sich die Komplexität der Montage und der Werkzeugbau verringern. Durch die Zusammenfassung von Halterungen, Gehäusen, Kanälen, Befestigungen und strukturellen Elementen zu weniger Komponenten reduziert die additive Fertigung zudem den Montageaufwand, die Qualitätsprüfungen und die logistische Komplexität.
In Verteidigungsprogrammen müssen Flugzeuge häufig an neue Nutzlasten, Sensoren, Missionsanforderungen und Einsatzumgebungen angepasst werden. AM ermöglicht es den Teams, aktualisierte Komponenten zu testen, zu verfeinern und zu produzieren, ohne auf neue Werkzeuge/Werkzeugbau warten zu müssen. So nutzte beispielsweise Aurora Flight Sciences die additive Fertigung zur Entwicklung des weltweit ersten 3D-gedruckten, strahlgetriebenen UAV und verkürzte damit die Entwicklungszeit um die Hälfte, wobei einige Teile vor dem Erstflug mehr als 20 Design-Iterationen durchliefen.
Additive Fertigung ermöglicht Strukturen im Leichtbau und optimierte Geometrien, die Reichweite, Flugdauer, Nutzlastkapazität und die Gesamtleistung des Flugzeugs verbessern können. Indem Material nur dort platziert wird, wo es benötigt wird, können Ingenieure unnötiges Gewicht reduzieren und dennoch die mechanischen Anforderungen erfüllen.
Wenn UAV-Programme in die Produktion übergehen, verlagert sich die Herausforderung vom Drucken eines einzelnen erfolgreichen Teils hin zur Herstellung tausender wiederholbarer Teile über verschiedene Bauprozesse, Maschinen, Anwender und Standorte hinweg. In einer Produktionsstudie von Stratasys führte der Ersatz von sechs verteilten Desktop-Druckern durch einen einzigen industriellen FDM®-Drucker zu einer Reduzierung der Gesamtproduktionszeit um ca. 51 % bei gleichzeitiger Verringerung der Teileanzahl und des Montageaufwands.
Die additive Fertigung (AM) verleiht Lieferketten zusätzliche Widerstandsfähigkeit, indem sie die Herstellung qualifizierter Teile, Werkzeuge/Werkzeugbau und Ersatzkomponenten näher am Einsatzort ermöglicht. Bei UAV-Programmen im Verteidigungsbereich kann dies das Risiko langer Vorlaufzeiten, anfälliger Beschaffung über Dritte oder nicht NDAA-konformer Lieferanten sowie von Lagerengpässen verringern, insbesondere wenn es sich um Teile mit geringen Stückzahlen, missionsspezifische Teile oder solche handelt, die über herkömmliche Kanäle nur schwer zu beschaffen sind. In diesem Fall senkten 3D-gedruckte Ersatzteile die Kosten um 88 % und trugen gleichzeitig dazu bei, einen wiederholbaren Weg für weitere qualifizierte Luft- und Raumfahrtkomponenten zu etablieren.
Bei der Herstellung von UAVs und VTOLs sind Materialauswahl, Prozesskontrolle, Dokumentation, Prüfung und Rückverfolgbarkeit von entscheidender Bedeutung. Stratasys unterstützt dies durch hochwertige Materialien, kontrollierte additive Arbeitsabläufe und die Funktionen der GrabCAD-Software, die es Herstellern ermöglichen, Druckvorgänge zu dokumentieren, Produktionsdaten zu verwalten und die Rückverfolgbarkeit über das gesamte Fertigungsverfahren hinweg zu gewährleisten. Zusammen bieten diese Funktionen Teams aus der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigungsindustrie einen kontrollierten Weg zur Herstellung langlebiger Endanwendungskomponenten mit der für die Produktion erforderlichen Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit.
Multirotor-Drohnen nutzen mehrere Triebrotoren, um sowohl Auftrieb als auch Antrieb zu erzeugen. Sie sind sowohl mechanisch einfach aufgebaut als auch äußerst wendig und eignen sich daher gut für Aufklärungs-, Überwachungs- und Kurzstreckenmissionen.
Da Multirotoren vollständig auf den durch Rotoren erzeugten Auftrieb angewiesen sind, kommt es auf jedes Gramm an. Leichtbau trägt dazu bei, die Flugzeit, die Nutzlastkapazität und die Gesamteffizienz zu maximieren. Durch additive Fertigung werden die Flugzeugzellen zudem hinsichtlich Gewichtsverteilung, Nutzlastintegration und Schwingungsverhalten für Schlüsselkomponenten wie Batteriegehäuse, Nutzlasthalterungen und Avionikgehäuse optimiert, die alle auf den jeweiligen Einsatzzweck des Fluggeräts zugeschnitten sind.
„Lift-Plus-Cruise“-Flugzeuge nutzen spezielle Motoren für den vertikalen Auftrieb und separate Antriebssysteme für den Vorwärtsflug. QuadPlane-Konstruktionen sind ein gängiges Beispiel hierfür, da sie den Auftrieb von Multirotoren mit der Effizienz von Starrflügelkonstruktionen kombinieren.
Diese Drohnen erfordern oft mehrere Gehäuse, Halterungen, Batteriefächer und Nutzlastbefestigungen sowie geometrisch komplexe aerodynamische Strukturen. Die additive Fertigung hilft dabei, diese Komponenten zu konsolidieren, wodurch die Komplexität der Montage verringert wird und die Herstellung leichter, einsatzspezifischer Komponenten erleichtert wird, die sich schnell an unterschiedliche Nutzlasten und Einsatzanforderungen anpassen lassen.
Tiltrotor- und Tiltwing-Flugzeuge wechseln zwischen vertikalem und horizontalem Flug, indem sie entweder die Rotoren oder den Flügel selbst drehen. Dadurch können sie einen helikopterähnlichen Start und eine helikopterähnliche Landung mit hoher Geschwindigkeit und größeren Reichweiten kombinieren als viele andere VTOL-Konstruktionen.
Sie sind mechanisch komplex, was den Bedarf an Strukturen aus Leichtbau, Gehäusen und Halterungen erhöht und oft zahlreiche Rapid Prototyping-Iterationen erfordert. Die additive Fertigung ist dort nützlich, wo Teams Designänderungen schnell testen oder komplexe Geometrien konsolidieren müssen, deren Herstellung mit herkömmlichen Verfahren schwierig oder kostspielig wäre.
Tailsitter-Flugzeuge starten und landen senkrecht auf ihrem Heck, bevor sie in den Horizontalflug übergehen. Sie sind nicht so verbreitet wie andere VTOL-Architekturen, weisen jedoch einen einfacheren mechanischen Aufbau auf, was mitunter das Gewicht reduzieren und die Komplexität der Konstruktion verringern kann.
Man kann integrierte Strukturen und Leichtbau-Flugzeuge drucken, die mehrere Funktionen in weniger Bauteilen vereinen. Und nicht zu vergessen ist die schnelle Iteration – ein wesentlicher Vorteil der additiven Fertigung –, mit der Ingenieure die Stabilität, das Gleichgewicht und die aerodynamische Leistung der Drohne sowohl im vertikalen als auch im horizontalen Flugmodus optimieren.
Die Konstruktion für die zertifizierte additive Fertigung erfordert mehr als nur die Optimierung der Flugzeugleistung. Ingenieure müssen auch berücksichtigen, wie Bauteile hergestellt, qualifiziert und über den gesamten Lebenszyklus des Programms hinweg in gleichbleibender Qualität produziert werden.
Die besten Anwendungen der additiven Fertigung reduzieren oft mehr als nur das Gewicht des Bauteils. Sie verringern den gesamten Produktionsaufwand: weniger Baugruppen, weniger Befestigungselemente, weniger Klebeschritte, weniger Vorrichtungen, weniger Prüfpunkte und weniger Artikel, die im Lager verwaltet werden müssen. Bei UAV-Programmen kann dies genauso wichtig sein wie die Leistungsfähigkeit des gedruckten Bauteils selbst.
VTOL-Flugzeuge müssen Antriebssysteme, Batterien, Nutzlasten und Avionik transportieren und dabei so leicht und effizient wie möglich bleiben. Topologieoptimierung und generatives Design helfen Ingenieuren dabei, Material nur dort einzusetzen, wo es zur Gesamtstabilität und Leistung beiträgt.
Additive Fertigung (AM) macht es praktikabler, diese optimierten Geometrien ohne die Beschränkungen im Bereich des Werkzeugbaus herzustellen, die man von der herkömmlichen Fertigung gewohnt ist. Aurora Flight Sciences nutzte beispielsweise optimierte Topologie, um überflüssiges Material zu entfernen, eine steife, leichtbauartige Flugzeugzelle zu schaffen und mehrere Komponenten zu Einzelteilen zusammenzufassen.
Der 3D-Druck ermöglicht es Ingenieuren, Halterungen, Gehäuse, Kanäle und Befestigungselemente zu einer geringeren Anzahl von Bauteilen zusammenzufassen, wodurch einfachere Baugruppen mit weniger Klebeverbindungen und Montageschritten entstehen. Diese Konstruktionen lassen sich leichter konsistent fertigen und tragen zur Wiederholbarkeit bei, die Sie für die qualifizierte Luft- und Raumfahrtproduktion benötigen.
Die Wahl des richtigen Materials ist in der Luft- und Raumfahrt von entscheidender Bedeutung, da Bauteile dort Kraftstoffen, Hydraulikflüssigkeiten, extremen Temperaturen und anderen anspruchsvollen Betriebsbedingungen standhalten müssen und gleichzeitig eine validierte Fertigung in Produktionsqualität ermöglichen müssen.
Mit dem Einzug der additiven Fertigung in die Produktion werden validierte Materialien, Prozesskontrolle und Rückverfolgbarkeit unerlässlich für die Herstellung flugtauglicher Bauteile sowie für die Dokumentation, Rückverfolgbarkeit und Prozesskontrolle, die für Produktions- und Qualifizierungsabläufe erforderlich sind.
Wie zu erwarten, umfasst die Konstruktion eines Bauteils für die additive Fertigung mehr als nur die Auswahl eines Materials. Sie sollten die Bauausrichtung bereits früh im Designprozess berücksichtigen, da sie sich auf Stützstrukturen, interne Kanäle, Oberflächenbeschaffenheit, Maßgenauigkeit und mechanische Eigenschaften auswirkt. Eine auf die Ausrichtung abgestimmte Konstruktion vereinfacht das Entfernen der Stützstrukturen sowie die Nachbearbeitung und führt zu einer gleichmäßigeren Bauteilqualität.
Sie sollten bereits in der Konstruktionsphase auch berücksichtigen, wie die Teile gereinigt, geprüft und nachbearbeitet werden, denn wenn Sie diese Prozesse bereits jetzt einbeziehen, trägt dies zur Vereinfachung der Fertigung, zur Verringerung von Schwankungen und zur Unterstützung einer wiederholbaren Produktion bei.
Da wir an anderer Stelle bereits auf die Gewichtsreduzierung eingehen, habe ich den Schwerpunkt hier auf die Teilekonsolidierung verlagert, um Wiederholungen zu vermeiden.
Da wir später noch ausführlicher auf die Nachbearbeitung eingehen werden, möchte ich mich in diesem Abschnitt auf die Bauausrichtung in der Entwurfsphase konzentrieren.
Es gibt kein monomaterielles Material, das für jede UAV- oder VTOL-Anwendung geeignet ist. Die Materialauswahl hängt von der Funktion des Bauteils, den Belastungsbedingungen, der Betriebsumgebung, den Qualifikationsanforderungen und dem Produktionsvolumen ab. Bei Verteidigungsprogrammen ist die beste Materialstrategie oft pragmatisch: Der Einsatz bewährter, verfügbarer und gut charakterisierter Materialien, die eine wiederholbare Fertigung ermöglichen und die Programmanforderungen erfüllen.
ist eines der am häufigsten eingesetzten AM-Materialien in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich. Es vereint ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis mit hervorragenden thermischen Eigenschaften sowie Flamm-, Rauch- und Toxizitätsmerkmalen (FST) und eignet sich daher besonders gut für Flugzeuginnenausstattungen, Gehäuse, Leitungen, Halterungen und Strukturbauteile.
Für militärische UAV- und VTOL-Programme wird das ULTEM™ 9085-Filament häufig gewählt, wenn Leichtbau, langlebige Eigenschaften und Erfahrung in der Luft- und Raumfahrt oberste Priorität haben. Dank seiner Kombination aus mechanischer Leistungsfähigkeit und bewährter Einsatzgeschichte in der Luft- und Raumfahrt ist es eine robuste Wahl für Serienfertigung und flugtaugliche Anwendungen.
Das Nylon-12-CF-Material für FDM-Systeme kombiniert Nylon mit geschnittenen Kohlefasern, um leichte, hochfeste und steife Bauteile für Flugzeugzellen, Befestigungshalterungen und Nutzlastträger herzustellen. Es eignet sich ideal für Anwendungen, bei denen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis erforderlich ist, um die Flugzeugleistung zu maximieren.
Das FDM-Material Antero® 840CN03 ist ein thermoplastischer Kunststoff auf PEKK-Basis, der für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich entwickelt wurde. Es vereint hohe Stabilität / Festigkeit, thermische Eigenschaften, chemische Beständigkeit und elektrostatisch ableitende (ESD) Eigenschaften und eignet sich daher hervorragend für Avionikgehäuse, Steckverbinder, Halterungen, Leitungskanäle und Komponenten von Systemen, die möglicherweise mit Treibstoffen, Hydraulikflüssigkeiten oder empfindlicher Elektronik in Berührung kommen.
Für bestimmte UAV-Komponenten bieten PA12-Werkstoffe mit SAF™-Technologie eine kostengünstige Lösung für höhere Produktionsmengen. Dank effizienter Schachtelung, gleichbleibender Teilequalität und hohem Durchsatz eignen sie sich je nach Leistungs- und Qualifikationsanforderungen besonders gut für Gehäuse, Abdeckungen, Halterungen und andere leichte Polymerkomponenten.
Der Übergang von einem erfolgreichen Prototyp zur Serienfertigung bedeutet nicht einfach nur, mehr Drucker hinzuzufügen. Hersteller von UAVs und VTOL-Drohnen benötigen wiederholbare Fertigungsprozesse (oftmals über mehrere Standorte hinweg), kontrollierte Arbeitsabläufe, eine effiziente Nachbearbeitung, qualifizierte Materialien und ein Produktionsmodell, das skalierbar ist, ohne unnötigen Maschinenüberhang, Arbeitsaufwand oder Komplexität bei der Montage zu verursachen.
Industrielle FDM®-Systeme können größere Baugruppen in weniger Druckvorgängen herstellen, um die Teileanzahl, den Montageaufwand und die Gesamtproduktionszeit zu reduzieren. Dies verbessert zudem die Konsistenz, die Produktionsvariabilität und den Durchsatz. Dies erleichtert den Übergang von fragmentierten FDM-Prototypen zu wiederholbaren Arbeitsabläufen in der Serienproduktion.
Für die Produktion sollte die Druckausrichtung standardisiert und dokumentiert werden. Die Ausrichtung kann sich auf die mechanische Leistung, die Genauigkeit der Maße, die Oberflächenbeschaffenheit, den Stützbedarf und den Durchsatz auswirken. Eine einheitliche Druckstrategie hilft Herstellern, die Wiederholbarkeit über mehrere Druckvorgänge, Maschinen und Anwender hinweg zu verbessern.
UAVs und VTOL-Flugzeuge im Verteidigungsbereich müssen oft rauen Umgebungsbedingungen standhalten, in denen Bauteile Feuchtigkeit, Staub, UV-Strahlung, extremen Temperaturen und betrieblichem Verschleiß ausgesetzt sein können. Die Nachbearbeitung hilft dabei, gedruckte Bauteile auf diese Bedingungen vorzubereiten.
Je nach Anwendung kann dies das Entfernen der Stützstrukturen, das Oberflächenfinish, das Versiegeln, das Beschichten, die Inspektion oder Qualifizierungstests umfassen. Das Ziel besteht darin, Teile und Arbeitsabläufe so zu gestalten, dass sie einen minimalen Handhabungsaufwand, einen vorhersehbaren Durchsatz und eine wiederholbare Qualität gewährleisten, um den Fertigungsaufwand zu reduzieren und gleichzeitig die Betriebsdauerhaftigkeit sowie die Einsatzbereitschaft im Feld zu verbessern.
Ein Vorteil der additiven Fertigung besteht darin, dass derselbe digitale Arbeitsablauf Design-Iterationen, den Werkzeugbau, die Überbrückungsproduktion und ausgewählte Endbauteile unterstützen kann. Designänderungen lassen sich direkt aus CAD-Dateien vornehmen, sodass Teams Komponenten verfeinern können, während sie auf eine Produktion in kleinen Stückzahlen übergehen, ohne auf neue feste Werkzeuge warten zu müssen.
Bei vielen UAV-Programmen ist die Produktionsfrage auch eine „Make-or-Buy“-Entscheidung. Manche Teams möchten möglicherweise intern drucken. Andere benötigen möglicherweise externe Fertigung, Überbrückungsproduktion oder Spitzenkapazitäten. Ein „Plattform-plus-Produktion“-Modell ermöglicht es Programmen, je nach Änderung der Nachfrage, der Qualifikationsanforderungen oder der Kapazitätsanforderungen zwischen internen additiven Fertigungskapazitäten und der Fertigungsunterstützung durch Stratasys Direct zu wechseln.
General Atomics nutzte diesen Ansatz in allen seinen Programmen für unbemannte Flugzeuge und druckte Tausende von Teilen im 3D-Druck, darunter rund 240 Teile für den MQ-9B SkyGuardian.
Die additive Fertigung ist nicht für jede UAV-Komponente oder jedes Produktionsvolumen das richtige Verfahren. Sie spielt ihre Stärken vor allem dort aus, wo Gewicht, Komplexität, Iterationsgeschwindigkeit, Produktion in kleinen bis mittleren Stückzahlen, Risiken in der Lieferkette oder missionsspezifische Variationen wichtiger sind als möglichst niedrige Stückkosten.
Zu den am besten geeigneten Anwendungsbereichen gehören:
Ganz gleich, ob Sie eine neue VTOL-Plattform entwickeln, ein taktisches UAV-Programm ausbauen oder qualifizierte Produktionsunterstützung suchen – Stratasys kann Ihnen dabei helfen zu evaluieren, wo additive Fertigung die Teileanzahl reduzieren, Baugruppen vereinfachen, Iterationen beschleunigen und eine wiederholbare Produktion unterstützen kann.
Beginnen Sie mit einem repräsentativen UAV-Bauteil, einer Baugruppe oder einem Produktionsengpass. Unser Team kann Ihnen dabei helfen, zu beurteilen, ob die additive Fertigung die richtige Lösung ist und ob die Produktion intern, über unseren sicheren, zertifizierten US-Auftragsfertigungsservice „Stratasys Direct“ oder im Rahmen eines hybriden „Make-or-Buy“-Modells erfolgen sollte.
Kontaktieren Sie noch heute einen unserer Experten, um Mehr zu erfahren – sei es, um über konkrete Anwendungsfälle zu sprechen oder Antworten auf Ihre Fragen zum 3D-Druck zu erhalten.
