3DP&Me: LIFT hebt mithilfe von 3D-Druck ab

Matt Chasen: Unsere Vision ist einfach. Wir wollen das Erlebnis des Fliegens für jedermann greifbar machen. Momentan ist das Fliegen eines Flugzeugs eine sehr teure Erfahrung, die sich nur wenige Menschen leisten können. Die Ausbildung zum Piloten ist sehr aufwendig und die Kosten für die Nutzung eines Flugzeugs sind ebenfalls hoch.

Wir wollen das ändern, indem wir alle Kenntnisse überflüssig machen, autonome Systeme nutzen und einen sicheren und einfachen dezentralen Elektroantrieb einsetzen. Wir können den Menschen ein reibungsloses Flugerlebnis ermöglichen, ohne dass sie sich dabei in Gefahr begeben müssen.

Matt: Sie sind beängstigend neu. Deshalb gehen wir sehr behutsam und methodisch an die Sache heran. Zum Beispiel verwenden wir eine halbautonome Flugsteuerung, keine vollständige Autonomie. Der Mensch ist immer noch der beste Sensor. Selbst ein ungeschulter Pilot kann ‚erkennen und ausweichen‘.

Wir nutzen diese neuen Technologien, aber mit Bedacht. Denn ohne sie könnten wir nicht das tun, was wir tun. Viele verschiedene Technologien sind ausgereift und reihen sich aneinander, sodass jetzt genau der richtige Zeitpunkt für diese Art von Geschäft ist. Der 3D-Druck ist eine dieser Technologien – ohne den Zeitvorteil des 3D-Drucks bei der Markteinführung hätten wir das alles nicht bewerkstelligen können.

Matt: Das ist richtig. Wir haben nicht einfach ein zehnjähriges F&E-Projekt gestartet. Wir suchten zunächst nach einer echten Geschäftsmöglichkeit. Was wir fanden, war diese regulatorische Klasse in den USA, die ‚Ultraleichtflugzeuge‘ genannt wird. Die Herausforderung besteht darin, die Gewichtsbeschränkungen dieser Klasse einzuhalten. Und dies haben wir durch Gewichtsoptimierung mittels 3D-Druck und anderen Technologien realisiert. Auf diese Weise konnten wir ohne Zertifizierung durch die EASA auf den Markt gehen – und es ist nicht einmal eine Pilotenlizenz erforderlich! Im Hinblick auf unsere Mission der Demokratisierung des Fliegens ist das einfach perfekt.

Matt: Ja! Mithilfe des 3D-Drucks haben wir im Grunde ein Flugzeug in etwas mehr als einem Jahr von einem leeren Blatt Papier bis zu einem bemannten Flug entwickelt. Dazu haben wir viele der für unsere verschiedenen Prototypen benötigten Bauteile im 3D-Druckverfahren hergestellt, aus denen sich dann sehr schnell eines der allerersten eVTOL-Flugzeuge der Welt entwickelte.

Und natürlich wollen wir dieses Tempo beibehalten. In der Luftfahrt gibt es bei zertifizierten Flugzeugen in der Regel extrem lange Produktzyklen. Denn wenn man erst einmal etwas entwickelt und zertifiziert hat, ist es unglaublich mühsam und teuer, es zu ändern oder etwas Neues zu entwickeln. Also wird einfach immer das Gleiche gemacht. Aus diesem Grund konnte sich die Luftfahrt nicht wirklich weiterentwickeln.

Andere Branchen erfinden sich neu und entwickeln sich ständig weiter, und die Produktzyklen in der Technologie sind viel schneller! Da keine Zertifizierung erforderlich ist, können wir Produktzyklen anstreben, die denen im Technologiesektor sehr viel näher kommen. Wir streben einen Zyklus von 2 bis 3 Jahren an, anstatt der in der Luftfahrtindustrie derzeit üblichen 20 bis 30 Jahre. Und das wird unter anderem durch den 3D-Druck ermöglicht.

Bei der additiven Fertigung muss nicht in große Bestellmengen investiert werden, bei denen Formen und all die teuren Dinge benötigt werden, die nur bei Größenordnungen im fünfstelligen Bereich sinnvoll sind. Wenn wir nur eintausend Stück von etwas herstellen wollen, ist der 3D-Druck viel wirtschaftlicher. Außerdem geht es schneller, sodass wir schneller Versionen iterieren können und das nächste Modell viel früher auf den Markt kommen kann.

Matt: Das ist richtig. Unser Fokus liegt vor allem auf dem Gewicht. Bei Übergewicht sind wir raus aus dem Geschäft. Es läuft also darauf hinaus, Titan und andere 3D-gedruckte Metalle zu nutzen. Ich überlasse es Balazs, unserem Chefingenieur, ein wenig mehr darüber zu sprechen, was wir hier möglich gemacht haben. Er hat Methoden wie das generative Design benutzt, um superleichte Strukturen zu entwickeln, die ohne 3D-Drucktechnologie einfach nicht möglich sind.

Balazs Kerulo: Bevor ich zu LIFT kam, habe ich konventionelle Starrflügler unterhalb bestimmter Gewichtsgrenzen entworfen, was eine große Herausforderung war. Damals stand uns der 3D-Druck noch nicht zur Verfügung, sodass ich den Fertigungstechnologien immer wieder vorwarf, dass sie uns als Designer zu sehr einschränkten und mir nicht erlaubten, das zu tun, was ich tun wollte.

Deshalb war ich sehr offen für jede neue Technologie, die einige dieser Beschränkungen beseitigen würde. Als dann der 3D-Druck aufkam, besorgte ich mir als Erstes einen 3D-Drucker für zu Hause, um verschiedene Ideen auszuprobieren – zusammen mit meinem Sohn, der damals vielleicht vier Jahre alt war. Jetzt ist er zehn und kann bereits seine eigenen Sachen in 3D drucken.

Als wir uns mit Matt zusammengesetzt haben, um über diesen verrückten Plan zu sprechen, in etwas mehr als einem Jahr ein flugtaugliches Flugzeug zu entwickeln, dachte ich als Erstes darüber nach, wie wir neue Grundlagentechnologien und neue Fertigungstechnologien nutzen können, um Designs richtig schnell zu entwickeln. Aus diesem Grund haben wir das Team von Materialise schon sehr früh einbezogen. Gleichzeitig begann ich, mich nach Software für generatives Design umzuschauen, um innerhalb bestimmter Grenzen eine Vielzahl von Designoptionen zu entwickeln, die wir dann weiter verfeinern würden. Generatives Design lässt sich sehr gut mit dem 3D-Druck kombinieren, da es sich – wie der 3D-Druck – nicht um die alten Einschränkungen traditioneller Herstellungsverfahren kümmert.

Balazs: Wir haben einen verteilten Antriebsstrang. Das heißt, wir haben 18 Motoren und 18 Batterien. Für die Sicherheit ist das großartig, aber es bedeutet auch, dass jedes mit dem Antriebsstrang zusammenhängende Bauteil mit 18 multipliziert werden muss. Jedes Gramm wird mit 18 multipliziert. Daher müssen wir grade bei diesen Bauteilen auf größtmögliche Effizienz achten.

Der Pylon ist wahrscheinlich das wichtigste Bauteil von allen. Er verbindet den Motor mit dem Flugzeug. Sämtliche Kräfte fließen durch ihn hindurch. Die Konstruktion war eine Herausforderung, da er allen Kräften, dem Drehmoment, den dynamischen Kräften usw. standhalten muss. Er war einer der ersten Bauteile, an denen wir gearbeitet haben und für die wir generatives Design verwendet haben. Wir haben für dieses Bauteil Titan gewählt und verwendeten dann einen materialdefinierten, generativen Designprozess für die Entwicklung.

Das generative Design war hier sehr hilfreich, denn wir mussten nur die Einschränkungen angeben – die Kräfte, das Drehmoment und die Ermüdungseigenschaften, die wir haben wollten. Der Computer lieferte auf Anhieb eine wirklich gute Lösung, die uns gefiel und die funktionierte. Und diese Struktur konnte tatsächlich nur mittels 3D-Druck hergestellt werden.

Da die Herstellungstechnologie noch so neu ist, verwenden wir sehr hohe Sicherheitsfaktoren. Der für dieses Bauteil angewandte Sicherheitsfaktor liegt bei etwa 10. Das Bauteil ist sehr leicht und könnte noch schlanker gestaltet werden, aber wir wollen erst einmal bei diesem hohen Sicherheitsfaktor bleiben. Wir führen derzeit Ermüdungstests an diesem Bauteil durch, und wenn die Ergebnisse gut ausfallen, könnten wir noch etwas runter gehen. Aber die Bauteile sind schon so leicht, dass wir sie vielleicht einfach so lassen sollten, wie sie sind, mit dem Wissen, dass wir das Gewicht bei Bedarf noch weiter reduzieren könnten.

Balazs: Wir haben das Bauteil entworfen und es an das Team von Materialise geschickt, und sie haben uns geantwortet ‚Das ist gut, das ist druckbar‘. Aber sie haben auch Vorschläge gemacht wie ‚Verwenden Sie hier eine Rautenform, damit es schneller, umweltfreundlicher und billiger zu drucken ist‘, usw. Und so haben wir seitdem mit dem Team zusammengearbeitet. Wir schicken ihnen unsere Bauteile, und das Feedback ist äußerst konstruktiv und hat uns wirklich geholfen, unsere Entwürfe zu optimieren.

Balazs: Ich würde ihnen raten, keine Angst davor zu haben. Selbst bei höheren Sicherheitsfaktoren sind die Bauteile leichter und effizienter als alles, was man auf konventionelle Weise herstellen könnte.

Charles Justiz: Zehn ist ziemlich hoch. Aber den brauchen wir, weil wir sehr leicht sind. Wenn wir mit einem niedrigeren Sicherheitsfaktor arbeiten wollten, müssten wir die Struktur an anderen Stellen verstärken, um Vibrationen und die Anfälligkeit für Karosserieverbiegung zu verringern – und dann hätten wir plötzlich ein schwereres Flugzeug. Wir betrachten hier das Risiko, die Kosten und das Gewicht.

Charles: Als Hauptvorteil des 3D-Drucks wird immer die einfache Konstruktion angeführt, aber eigentlich ist es die einfache Rekonstruktion! Wenn Sie einen Fahrzeugprototyp haben und feststellen: „Oje, das ist nicht gut gelaufen. Die Lastverteilung ist nicht wie erwartet; die Torsion ist nicht wie erwartet; ich bin in Turbulenzen geraten und das Fahrzeug hat derart gewackelt und das ist nicht akzeptabel“ – wenn so etwas passiert, müssen Sie das Ganze überarbeiten! Dann können Sie sechs Monate warten, weil Sie eine neue Form zum Gießen des Bauteils herstellen müssen, oder Sie können sagen: ‚Hier ist die neue Spezifikation, CAD/CAM sieht gut aus, es passt zu den Anforderungen – bitte drucken Sie das für mich.‘ Und in 99,9 % der Fälle erhalten Sie ein Bauteil zurück, das genau Ihren Vorgaben entspricht. Das ist ein enormer Vorteil des Rapid-Prototyping.

Charles: Das Risiko ist das, worauf man achtet. Und alles birgt ein Risiko. Wir müssen das Risiko quantifizieren und uns fragen, welches Risikoniveau akzeptabel ist. Dann gehen wir das durch und legen fest, wo ein Risiko inakzeptabel ist, und erhöhen den Sicherheitsfaktor an einer bestimmten Stelle.

Ich bin Testpilot und bei der NASA bin ich Forschungsfahrzeuge geflogen. Einzigartige, völlig neu entwickelte Flugzeuge. Ich stelle mir Szenarien vor, die ich mit dem Flugzeug durchspiele, und frage: „Habt ihr daran gedacht, dass das passieren könnte?“ Und genau das gleiche machen wir bei LIFT. Wir haben über eine generative Designphilosophie gesprochen, aber es gibt auch eine generative Designphilosophie für Flugtests.

Charles: Ja, aber das geschieht nicht alles auf einmal. Man geht sehr vorsichtig und sehr langsam vor. Wir lassen das Flugzeug im Schwebeflug fliegen, unbesetzt. Dann bewegen wir das Flugzeug mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Das wird alles genau aufgezeichnet. Und wir müssen bestimmte Anforderungen erfüllen, bevor wir zum nächsten Schritt übergehen. Wir gehen die Daten stets erneut durch und sehen uns an, was wir mit dem Flugzeug in diesem Test gemacht haben.

Diese Vorgehensweise und der Sicherheitsfaktor beruhen darauf, dass diese neuen Strukturen, Materialien und Komponenten ein anderes Ermüdungsverhalten aufweisen, anders auf Vibrationen reagieren und sich anders abnutzen. Herkömmliche Metallteile geben langsam nach und entwickeln zuerst Risse, sodass man gewissermaßen gewarnt wird. Bei anderen Materialien ist das nicht der Fall, sie geben einfach nach. Und wir wollen sicherstellen, dass dies bei uns auf keinen Fall passiert.

Charles: Wir sind sehr schnell und sehr vorsichtig. Was sehr schwierig ist!

Matt: Und damit kommen wir auf unsere allgemeine Philosophie zurück, bei der es vor allem um Sicherheit geht. Zu Beginn habe ich Balazs herausgefordert, zunächst die Anforderungen der Ultraleicht-Kategorie zu erfüllen, aber von da an haben wir unser Design ganz auf Sicherheit hin optimiert. Wir haben uns zum Beispiel nicht zum Ziel gesetzt, mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu fliegen.

Wir haben nicht vor, Sie schnell an Ihr Ziel zu bringen. Wir optimieren das Erlebnis des Schwebefluges und wollen schnell genug sein, um bestimmte Dinge zu tun. Andere in der eVTOL-Branche versuchen, zwei Sachen gut zu machen, und das ist wirklich schwer. Mit Flügeln zu fliegen und gleichzeitig vertikal zu starten und zu landen. Werden Flügel hinzugefügt, sind diese im Schwebeflug nur Ballast und reduzieren die Sicherheitsfaktoren.

Unsere Herangehensweise bestand darin, ein so sicheres Flugzeug wie möglich zu bauen, und Leistung oder Kosten spielten für uns keine Rolle.

Matt: Was wir tun, ist verrückt. Aber wir haben eine große Verantwortung. Wir werden die Ersten sein, die einen Service anbieten, bei dem Kunden Ultraleichtflugzeuge fliegen können, die elektrisch betrieben werden und senkrecht starten und landen. Wir nehmen diese Verantwortung sehr ernst.

Sicherheit zieht sich durch die Entscheidungen für das Design, die Herstellungstechnologien und alles andere. Unser Ziel war von Anfang an der Zugang, sodass es nur logisch ist, dass die Sicherheit an erster Stelle steht. Denn jedes zusätzliche Risiko muss durch Kompetenzen ausgeglichen werden, was wiederum Menschen ausschließt – und genau das wollen wir vermeiden.

Balazs: Wir werden erst dann ein Flugzeug auf den Markt bringen, wenn wir sicher sind, dass wir den Menschen eine sichere und faszinierende, aber vor allem sichere Erfahrung bieten können. Erst dann werden wir das Fliegen wirklich demokratisiert haben.

Matt, Balazs, Charles, vielen Dank für Ihre Zeit!