Lightweight Bionic Aircraft Interior - Development of multi-material 3D printing and multifunctional coatings

Aesthetics, comfort and flight experience are the core elements of global R&D strategies to realize the "passenger-friendly cabin" - for aircraft operators, in addition to sustainability (ultra-lightweight construction) and ease of cleaning/maintenance, the focus in particular will be on the quality of the cabin equipment in the future: In their cooperation in the LiBio project, Bombardier Aerospace as a business/private and commercial jet manufacturer and F/List as a cabin outfitter are focusing on the ecological development of cabin equipment, which in this context, for the first time as a paradigm shift, integrates the visualization of bionic structures (stiffeners and struts in sandwich materials) as aesthetic design elements in highly functionalized components.

Compared to state-of-the-art manufacturing (CNC machining, injection/die casting, lamination, etc.), the further development of generative manufacturing methods (“3D printing”) is the key to greatly expanded design freedom for design and construction as a basis for a design concept away from flat honeycomb structures and towards load-bearing, geometrically adapted stiffeners, e.g. based on the bionic model of the bird bone structure; However, the application of 3D printing has not yet penetrated into the series production of highly stressed components, because on the one hand there is a lack of FDM 3D printing technologies suitable for large components and problems such as
(i) direction-independent mechanical properties,
(ii) multi-materials with locally higher load-bearing capacity (e.g. combination of plastic and metal-plastic composite),
(iii) simulation of the manufacturing process and component design (external topology and internal lattice optimization) and
(iv) post-processing of the rough / stepped 3D printing surface (painting, functionalization)
are unsolved.

Overcoming these problems while taking into account aviation safety aspects (i.e. EASA and FAA approval requirements) is the aim of the transnational project “LiBio”, whereby the Austrian consortium of the core competence carriers in the Austrian aviation sector is developing new high-performance materials and efficient manufacturing processes, i.e.:
1) Multi-material FDM (Fused Deposition Modelling) for the direct integration of highly stressed inserts into bionically designed plastic components for attachment to surrounding assemblies in the air cabin (SinusPro, Antemo) and
2) surface finishing (“tool box” for future usable options) based on
(i) organic base coat for the self-smoothing of the rough FDM surfaces and the adaptation of haptics (soft touch) and functionality (thermochromic, luminescent) (Rembrandtin),
(ii) sol-gel top coat with the coating developed by the project partners Inocon and JR patented atmospheric pressure plasma curing for very thick sol-gel layers for wear resistance (anti-scratch for long service life) and easy cleaning (anti-fingerprint, anti-microbial, anti-static against dust accumulation) (Inocon, JR, AAC), as well as
(iii) partial application of aesthetic composite cover panels and veneers made of wood and stone with additional mechanical stiffening function (F/List)

[Original text]
"Lightweight Bionic Aircraft Interior – Entwicklung von Multimaterial-3D-Druck und multifunktionalen Beschichtungen"
Ästhetik, Komfort und Flugerlebnis sind die Kernelemente weltweiter F&E-Strategien zur Verwirklichung der „passagierfreundlichen Kabine“ – Für Flugzeugbetreiber steht damit zukünftig neben Nachhaltigkeit (Ultra-Leichtbau) und Reinigungs-/Wartungsfreundlichkeit speziell die Qualität der Kabinenausstattung im Mittelpunkt: In ihrer Kooperation im Projekt LiBio setzen Bombardier Aerospace als Business-/Private- und Commercial-Jet-Hersteller und F/List als Kabinenausstatter die ökologische Entwicklung einer Kabinenausstattung in den Fokus, welche in diesem Kontext erstmals als Paradigmenwechsel die Sichtbarmachung bionischer Strukturen (Versteifungen und Verstrebungen in Sandwich-Materialien) als ästhetische Designelemente in hoch funktionalisierte Komponenten integriert.

Gegenüber der State-of-the-Art-Fertigung (CNC-Zerspanung, Spritz-/Druckguss, Laminierung, etc.) ist dabei die Weiterentwicklung generativer Fertigungsmethoden („3D-Druck“) der Schlüssel zu stark ausgeweiteten Gestaltungsfreiheiten für Design und Konstruktion als Basis für ein Gestaltungskonzept weg von ebenen Honeycomb-Wabenstrukturen und hin zu Belastungs-gerechten, geometrisch-angepassten Versteifungen, z.B. basierend auf dem bionischen Vorbild der Vogelknochen-Struktur; Die Anwendung des 3D-Drucks ist bislang jedoch nicht in die Serienfertigung hochbeanspruchter Bauteile vorgedrungen, da zum einem für Großbauteile geeignete FDM-3D-Druck-Technologien fehlen und Problemstellungen unter anderem 
(i) zu richtungsunabhängigen mechanischen Eigenschaften, 
(ii) zu Multi-Materialien mit lokal höherer Tragfähigkeit (z.B. Kombination Kunststoff und Metall-Kunststoff-Komposit), 
(iii) zur Simulation des Fertigungsprozesses und der Bauteilauslegung (äußere Topologie-und innere Gitter-Optimierung) und 
(iv) zum Postprocessing der rauen / stufigen 3D-Druck-Oberfläche (Lackierung, Funktionalisierung)
ungelöst sind.

Die Überwindung dieser Probleme unter Berücksichtigung der Luftfahrt-Sicherheitsaspekte (d.h. der EASA- und FAA-Zulassungsanforderungen) ist Ziel des transnationalen Projekts „LiBio“, wobei im österreichischen Konsortium aus den Kern-Kompetenzträgern im österreichischen Luftfahrtbereich speziell neue Hochleistung-Werkstoffe und leistungsfähige Fertigungsprozesse entwickelt werden, d.h.:
1)   Multimaterial-FDM (Fused Deposition Modelling) zur direkten Integration von hochbelasteten Inserts in bionisch-konstruierte Kunststoff-Bauteile zur Befestigung an umgebenden Baugruppen in der Aircabin (SinusPro, Antemo) und
2)   Oberflächen-Finishing („Tool-Box“ für zukünftig nutzbare Möglichkeiten) basierend auf
(i) organischer Grundlackierung für die Selbst-Glättung der rauen FDM-Oberflächen und die Anpassung von Haptik (Soft-Touch) und Funktionalität (thermochrom, luminiszent) (Rembrandtin), 
(ii) Sol-Gel-Decklackierung mit der durch die Projektpartner Inocon und JR patentierten Atmosphärendruck-Plasmaaushärtung für sehr dicke Sol-Gel-Schichten für Verschleißfestigkeit (anti-scratch für lange Nutzungsdauer) und einfache Reinigbarkeit (anti-Fingerprint, anti-mikrobiell, anti-statisch gegen Staubanlagerung) (Inocon, JR, AAC), sowie 
(iii) partieller Applizierung von ästhetischen Komposit-Deckplatten und Furnieren aus Holz und Stein mit zusätzlich mechanischer Versteifungs-Funktion (F/List)