Recycelte Bauteile aus dem 3D-Drucker für die Luftfahrt

Forschende des Fraunhofer Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) arbeiten daran, den Anteil von Recyclingmaterial in additiven Produktionsverfahren zu erhöhen. Im 3D-Drucker sollen aus recycelten Kunststoffmaterialien neue Bauteile für die Luftfahrt gefertigt werden – bei unverändert hoher Qualität.

Ein Flugreisenden gut bekanntes Bauteil, das einen der Schwerpunkte des auf drei Jahre angelegten Forschungsvorhabens bildet, ist die Klappe des Gepäckfachs über dem Sitz. Diese besteht aus Polyetherimid (PEI), einem schwer entflammbaren Kunststoff, der im Brandfall keinen giftigen Rauch verursacht. Künftig sollen die Klappen am Ende ihres Produktlebenszyklus nicht mehr auf dem Müll landen. Stattdessen sollen sie geschreddert und zu Kunststoffdraht beziehungsweise Filament verarbeitet werden. Ein 3D-Drucker soll aus den recycelten Materialien dann neue Bauteile für die Luftfahrt fertigen.

Ein Problem dabei ist, dass recyceltes PEI nicht die gleichen Eigenschaften wie neues aufweist. Das IPA-Forscherteam um Markus Echsel soll daher verschiedene Fragen klären, etwa wie fließfähig recyceltes PEI ist, wie oft es überhaupt verarbeitet werden kann, bevor es unbrauchbar wird, und mit welchen Parametern das wiederverwendete PEI verarbeitet werden muss. Hierzu wollen die Wissenschaftler ein Degradationsmodell entwickeln, das zeigt, wie sich die Eigenschaften eines Materials ändern, wenn es altert. Mit Hilfe des hieraus generierten Wissens könnten die Einstellungen am 3D-Drucker dann so verändert werden, dass dieser aus Recyclingmaterial Bauteile fertigt, die jenen aus neuem PEI in nichts nachstehen. „Wenn das erst einmal bekannt ist, können in Zukunft bereits genutzte Bauteile aus hochwertigen Kunststoffen ein zweites oder drittes Leben bekommen“, so Echsel.

Neben den Klappen, gibt es noch weitere Flugzeugteile aus Kunststoffen, die im 3D-Drucker hergestellt werden. Ein oft zum Einsatz kommendes Verfahren, ist das sogenannte selektive Lasersintern, bei dem Pulver aus den Kunststoffen Polyamid 12 (PA12) oder Polyetherketonketon (PEKK) flächig aufgebracht, erhitzt und dann punktuell mit einem Laserstrahl geschmolzen werden. Ein Großteil des verwendeten Pulvers landet allerdings gar nicht im gefertigten Bauteil, und vom überschüssigen Pulver wird bisher ein beträchtlicher Teil entsorgt. Das IPA-Team will daher klären, wie sich die Eigenschaften von PA 12 und PEKK verändern, wenn es einen oder mehrere Druckprozesse hinter sich hat. Ziel sei es, dass eine größere Menge Pulver länger im Prozess gehalten werden kann und am Ende nur noch zehn bis 20 Prozent neues Pulver beigemischt werden muss.

Was am Zentrum für Additive Produktion am Fraunhofer IPA erforscht wird, ist Teil eines großangelegten, vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Forschungsprojekts namens "Technologien und Reparaturverfahren für nachhaltige Luftfahrt in Kreislaufwirtschaft" (TIRIKA). Dabei betrachten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrerer Forschungseinrichtungen gemeinsam mit Partnern aus der Industrie ganz verschiedene Aspekte der Luftfahrt und gestalten sie nachhaltiger, energieeffizienter sowie kostengünstiger.

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