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Entwurf Generatives Design spart bis zu 500.000 Tonnen CO2 pro Jahr ein

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Im Flugzeugbau sind immer leichtere Bauteile gefragt, um den Treibstoffverbrauch und damit den CO2-Ausstoß so gering wie möglich zu halten. Airbus zeigt, wie generatives Desing dabei helfen kann.

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Generative Bauteile können langfristig zu erheblichen C02 Einsparungen im Luftverkehr führen.
Generative Bauteile können langfristig zu erheblichen C02 Einsparungen im Luftverkehr führen.
(Bild: Autodesk)

Airbus setzt seit längerem auf den generativen Design-Ansatz von Autodesk, um die komplexen Herausforderungen in Konstruktion und Produktion zu bewältigen. Bei gleich zwei Flugzeugbauteilen soll der generative Design-Ansatz umgesetzt werden: bei einer bionischen Trennwand und einer neuen Version des Seitenleitwerks des A320.

Was ist Generatives Design?

Generatives Design, auch generative Gestaltung genannt, ist ein Prozess, bei dem unterschiedliche Entwurfs- oder Konstruktionsvarianten erkundet werden. Dabei formulieren Designer, Entwickler oder Ingenieure zunächst das gestalterische Ziel und geben dieses zusammen mit einer Reihe verschiedenster Parameter, darunter etwa Leistung, räumliche Gegebenheiten, Material, Fertigungsverfahren oder Kostenziele, in die Generative-Design-Software ein. Die Software rechnet nun durch Kombination der Eingabeparameter sämtliche mögliche Lösungen durch und generiert so in kürzester Zeit eine Reihe von Entwurfsalternativen. Schließlich testet die Software jede einzelne dieser Iterationen und ermittelt, was funktioniert und was nicht.

Bionische Trennwand 45 % leichter als herkömmliche Teile

Airbus zeigte bereits 2015 seine erste Machbarkeitsstudie mit generativem Design: eine sogenannte bionische Trennwand. Der Ingenieur Bastian Schäfer, Innovation Manager bei Airbus, entwickelte mit seinem Team das Airbus Concept Plane – eine Vision für das Düsenflugzeug des Jahres 2050. Damit prägt er die Art und Weise, wie Fluggäste in Zukunft reisen werden.

Dabei sollte die neue Trennwand:

  • wesentlich leichter als die aktuelle Wand sein, um wie beabsichtigt das Gewicht des Flugzeugs reduzieren zu können,
  • stabil genug sein, um zwei Klappsitzen Halt zu bieten, auf denen Flugbegleiter bei Abflug und Landung Platz nehmen können,
  • über eine Öffnung verfügen, durch die breite Gegenstände in die bzw. aus der Kabine transportiert werden können,
  • höchstens ein Zoll dick sein und
  • an nur vier Stellen am Flugwerk befestigt sein.

Die Trennwand hat die Aufgabe, den Passagierraum von der Bordküche des Flugzeugs zu trennen und trägt dabei die Klappsitze für das Bordpersonal.

Die bionische Trennwand von Airbus musste strenge Parameter in Bezug auf Gewicht, Belastungen und Verschiebungen einhalten, die auftreten, wenn im Falle eines Absturzes Fliehkräfte von 16 g auf das Flugzeug wirken. Das Team wollte die beste Art und Weise finden, diesen Anforderungen zu begegnen und das Flugzeugskelett zu optimieren. Daher schrieben die Ingenieure für die Software für generatives Design Algorithmen, die auf zwei Wachstumsmustern aus der Natur basierten: dem der Schleimpilze und dem von Säugetierknochen.

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Beim so entstandenen Entwurf handelt es sich um eine Gitterstruktur, die willkürlich wirkt, jedoch darauf ausgelegt wurde, sowohl stabil als auch leicht zu sein und beim Bau so wenig Material wie möglich zu benötigen.

Die nun überarbeitete bionische Trennwand ist 45 Prozent leichter als herkömmliche Teile dieser Art, jedoch ebenso stabil. Dabei wirken sich die Gewichtseinsparungen positiv auf die CO2-Bilanz der Flugzeuge aus. So schätzt Airbus, durch den neuen Designansatz fast eine halbe Million Tonnen CO2 pro Jahr einsparen zu können, sollte die Trennwand in die aktuell bestehenden Aufträge an A320 Flugzeugen eingebaut werden.

Alternative Herstellungsverfahren für Trennwand

Ursprünglich sollte die Trennwand im 3D- Metalldruck hergestellt werden. Allerdings konnte diese Methode aufgrund der Materialanforderungen in der Luftfahrt nicht umgesetzt werden. Eine Alternative ist ein Mix aus klassischer Gusstechnik und 3D-Druckverfahren: Airbus stellt zunächst eine 3D-gedruckte Gussform aus Plastik her und gießt das Bauteil anschließend in eine Legierung, die bereits für das Fliegen zugelassen ist.

Die gegossene bionische Trennwand 2.0 ist genauso stabil und leicht wie das 3D-gedruckte Modell. „Das angepasste Design macht das bionische Bauteil wesentlich einfacher in der Produktion. Der erste Prototyp ist bereits in Arbeit und wird hoffentlich noch vor Ende diesen Jahres fertiggestellt“, sagt Bastian Schäfer, der für die Kooperation mit Autodesk verantwortliche Designer bei Airbus. Durch die Optimierungen könne die bionische Trennwand 2.0 sogar zu denselben Kosten hergestellt werden wie das herkömmliche Bauteil, erklärte Airbus auf der Autodesk University.

Hunderte Designalternativen für neue Heckflosse

Airbus optimiert zudem ein weiteres Flugzeugteil – das Seitenleitwerk (umgangssprachlich: Heckflosse) des A320. Das Seitenleitwerk eines Flugzeugs hat die Funktion, für Richtungsstabilität zu sorgen und aerodynamische Ineffizienz zu reduzieren, die durch seitliche Bewegungen entstehen kann. Der generative Design-Ansatz von Autodesk ermöglicht es dabei dem Entwicklungsteam, hunderte an Designalternativen durchzuspielen. Diese erfüllen allesamt die Anforderungen an das Seitenleitwerk bezüglich Steifheit, Stabilität und Masse, bieten aber gleichzeitig Vorteile in Bezug auf das Gewicht, das in der Luftfahrt eine wichtige Rolle spielt.

Produktionshallen der Zukunft

Airbus prüft derzeit, ob sich diese Technologie bei der Planung von zukünftigen Produktionshallen einsetzen lässt. Ziel ist es, die Montage von Triebwerken mit effizienteren logistischen Abläufen deutlich zu beschleunigen und damit auch die Produktivität der Mitarbeiter zu erhöhen. Dabei lasse sich die Produktionsstätte zudem flexibel an aktuelle sowie künftige Anforderungen des Unternehmens anpassen. Dass beispielsweise auch Triebwerkskomponenten mittels 3D-Metalldruck hergestellt werden können, zeigte bereits ein Forschungsprojekt des Fraunhofer Instituts.

„Generatives Design ermöglicht es uns, eine nachhaltigere Architektur zu entwickeln, die besser auf die Bedürfnisse unserer Beschäftigten und die Arbeitsbedingungen einzahlt“, erklärt Schäfer. „Generatives Design hat außerdem verändert, wie wir denken und wie wir an die Gestaltung von etwas herangehen. Generatives Design überwindet vorgefasste Meinungen und blinde Flecken. Egal, welche der Designoptionen wir wählen, wir sind uns sicher, dass eine Produktionsstätte dieser Art effizienter arbeiten und kostengünstiger zu bauen sein wird.“

Additive Fertigung in Luft- und Raumfahrt
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Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal veröffentlicht.

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