Bastian Schäfer/Innovation Manager Emerging Technologies & Concepts
AIRBUS

Ecken sind out – Airbus beschäftigt ein multidisziplinäres Team in einem Open Innovation Projekt um mittels Biomimicry unter Verwendung des Belastungsalgorithmus eines Schleimplizes die Kabinentrennwand eines Flugzeuges leichter und stabiler zu machen. Die Teile werden im 3D – Printing Verfahren gedruckt. Material ist eine Aluminium-Magnesium-Scandium Legierung um optimale Leichtigkeit und Festigkeit zu erhalten. Gewichtersparnis sind 30kg, die sich direkt auf die CO2 – Emission auswirken.

Was waren die Herausforderungen des Bionic Partition Projects?

Bastian Schäfer: Unsere Aufgabe war eine Kabinentrennwand – die Partition –  in den Mittelstreckenjets der A320-Familie von Airbus zu optimieren. Die bisherige Bauweise besteht aus einem schweren Metallgerüst. Die Partition muss einerseits stabil genug sein um den Cabin Attendance Seat der Sitz, auf dem während Start und Landung ein Flugbegleiter sitzt, tragen zu können. Dieser Sitz ist direkt an der Partition angebracht. Zusätzlich muss es möglich sein, einen Teil der Trennwand zu entfernen oder einklappen zu können, um im Notfall Personen auf einer Trage durchzulassen.
Die Vorgabe des Projektes ist, das 3D – Printing Verfahren maximal auszunutzen, also die additive Fertigung “Additive Layer Manufacturing“ ALM, um auf diese Weise neue Designerprinzipien zu ermöglichen. So können wir Strukturen bauen, die mit konventionellen Fertigungsmethoden bislang nicht herstellbar waren. Unser Ziel war es, das Gewicht der existierenden Partition um mindestens 30% zu reduzieren. Nach heutigem Stand haben wir eine Gewichtsreduktion von 45% erreicht. Die alte Partition wog 65kg, mit der neuen Partition kommen wir mit 35kg aus.

Die Gewichtsreduktion hat Auswirkungen auf die CO2 Emissionen?

Bastian Schäfer: Mit jedem Kilogramm, welches wir einsparen, verbrennen wir in den Triebwerken 106 kg weniger Kerosin pro Jahr. Nachdem wir 30kg Gewicht reduzieren, können wir ungefähr 10 Tonnen an CO2 pro Jahr durch die Bionic Partion einsparen. Und das ist erst der Anfang. Man kann sich jetzt sehr leicht vorstellen, dass wir in Zukunft diese Technologie in unterschiedlichen Bereichen des Flugzeugbaues weiter verwenden können.

Wie seid Ihr genau auf diese Trennwand gekommen?

Bastian Schäfer: Unser Management hat uns hier wahrscheinlich eine der extremsten Aufgaben gegeben. Die Trennwand stellt nicht das Problem dar. Sie muss extrem stabil sein und ist mit 65 Kg jedoch recht schwer, das liegt aber auch daran, dass solche Trennwände einen sogenannten 16 g Test bestehen müssen. Das ist ein Crash-Test, bei dem innerhalb von 0,08 Sekunden eine Last von ungefähr 3,5 Tonnen aufgebracht wird. Die Wand muss stabil genug sein um der Belastung standzuhalten. Die großen Lasten entstehen durch die Flugbegleiter, die auf der Flugbegleitersitzbank sitzen, welche an der Wand befestigt ist. Um hier zu einer komplett neuen Lösung zu kommen haben wir mit einem Design angefangen, welches auf einem biologischen Organismus basiert. In unserem Fall nutzten wir einen Schleimpilz mit dem Namen Physarum. Deshalb sieht das Design dieser Partition auch unkonventionell aus, da nichts mehr rechtwinkelig ist und die Streben sind dem Schleimpilz nachempfunden sind. Er hilft uns redundante Strukturen aufzubauen, die notwendig sind um die Lasten, die durch den Crashtest entstehen, in die Primärstruktur des Flugzeuges einleiten zu können. Wir reden hier von einer Makrooptimierung. Wir haben mehr als 10.000 Designvarianten durchgerechnet und haben mit Bigdata Analytics herausgefunden welches das beste Design ist.

Concept Bionic Partition

Diese Biomimicry war eine Vorgabe oder ist es Zufall, dass der Algorithmus des Schleimpilz verwendet wurde?

Bastian Schäfer: In diesem Fall war es sehr naheliegend, dass wir den Schleimpilzalgorithmus ausprobieren wollten, denn er generiert diese redundanten Strukturen, die uns mehr Sicherheit geben. Wenn einer dieser Lastpfade bricht, dann haben wir noch immer genug Lastpfade übrig, die die den Lasten des Flugbegleiters standhalten können. 
Aber ein Schleimpilz lebt normal im Boden und ist nicht steif genug um ein dreidimensionales Netzwerk zu halten, also mussten wir eine weitere Optimierung durchführen. Bei einer sogenannten Mikrooptimierung haben wir einen Knochenalgorithmus angewendet. Das bedeutet, dass wir einen Algorithmus entworfen haben, der die Verstrebungen, die wir durch den Schleimpilz bekommen haben, entsprechend aufdickt und die Lastarten dementsprechend anpasst. Wir haben es durch Nutzung und Kombination dieser beiden Algorithmen geschafft, sehr leichte und stabile Strukturen zu entwerfen.

Welches Material verwendet Ihr zum Drucken?

Bastian Schäfer: Das Material ist ein neues 3D Druck fähiges Material bei Airbus, es heißt Scalmalloy und ist eine Aluminium-Magnesium-Scandium Legierung. Durch einen kleinen Anteil von Scandium bekommt das Material sehr hohe Festigkeiten, die teilweise höher sind als bei herkömmlichen Aluminium Legierungen.
Der 3D Druck wurde von der Firma Concept Laser durchgeführt. Dort haben wir die Concept Laser M2 Maschine genutzt und wir haben auch Teile bei der Firma APWorks drucken lassen. Dort haben wir auf einer EOS M290  und einer EOS M400 gedruckt. Die EOS M400 gehört zu den größten 3D Druckmaschinen, die es für den Metalldruck für das SLM Verfahren gibt. In Summe mußten wir 116 Bauteile drucken und dazu 40 Verbindungselemente aus Titan, um die Bauteile miteinander zu verbinden. 116 Bauteile sind sehr viele und wir versuchen in Zukunft die Anzahl der Bauteile auf 10 bis 20 zu reduzieren um den Zusammenbau der Partition zu vereinfachen. Zusätzlich versuchen wir auch die 3D Druckgeschwindigkeit zu erhöhen, um die Produktionsdauer zu verkürzen. Derzeit brauchen wir 900 Stunden für eine Partition, was deutlich zu lang ist. Wir glauben, dass wir bis 2018 eine Maschine bekommen, die um den Faktor 10 schneller ist. Das wäre für die Fertigung ein großer Meilenstein.

Partition Detail

Werden die Partitions schon in Flugzeuge eingebaut?

Bastian Schäfer: Wir sind derzeit in der Prototypenphase und haben die ersten Partitions gebaut, welche dieses Jahr getestet werden, bevor wir in die Industrialisierung umsetzen können.

Welche Entwicklungen erwarten Sie in den nächsten Jahren? Wird die Fertigungsindustrie revolutioniert?

Bastian Schäfer: Davon ist auszugehen. Die Luftfahrt ist in einer Vorreiterrolle, da die Bauteile die wir verbauen relativ hochpreisig sind und weil das Thema Gewichtsreduktion im Kontext von CO2 Einsparung und auch Verbesserung der operativen Kosten eines Flugzeugen eine ganz entscheidende Bedeutung haben. Wenn die Entwicklung so weiter geht, werden wir erleben, dass die Maschinen größer und schneller werden. Wir werden erleben dass die Preise für den Pulverdruck deutlich geringer werden, so dass andere Industrien massiv davon profitieren können, und das nicht nur im Prototypenstadium, sondern auch in der Serienfertigung. Neue Designalgorithmen werden zunehmend verwendenfinden, um die die Produktperformance zu verbessern. Firmen, die es verstehen diese Algorithmen anzuwenden und selbst Algorithmen  entwickeln, werden sehr erfolgreich sein. Der große Vorteil ist, dass man diese Algorithmen in einem generativen Designprozess nutzt kann. Das bedeutet, dass man nur noch die Ziele, die man erreichen möchte, als Parameter in den Computer eingibt und der generative Designansatz dann fast automatisiert ein ideales Ergebnis erzeugt. Derzeit schauen wir auf das Gewicht und auf die Strukturperformance. In Zukunft werden auch Kostenfaktoren und Nachhaltigkeitsfaktoren berücksichtigt können. Wir reden nicht mehr über eine reine Bauteiloptimierung, sondern über eine n-dimensionale Optimierung, die wir nutzen können, um unsere Produkte besser zu machen.

About:
Bastian Schäfer ist Innovationsmanager bei Airbus und erhielt 2006 sein Diplom an der HAW Hamburg. Seitdem arbeitet er für Airbus in verschiedenen Projekten und wurde schließlich ein Teil des Teams hinter der mehrfach ausgezeichneten Airbus Concept Cabin. Bastian ist Projektleiter des Bionic Partition Projektes, in welchem generatives Design mit dem 3D-Druck verknüpft wird.    

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