Stronger, Lighter, Faster: Leichtbau in der Luft- und Raumfahrttechnik durch Materialcharakterisierung

Die Luft- und Raumfahrtindustrie verfolgt einen wachsenden Trend zum Leichtbau: die Verwendung von Materialien mit geringerer Dichte, ohne dabei mechanische Festigkeit, Haltbarkeit oder Leistung zu opfern. Leichtbau bietet zahlreiche Vorteile, darunter eine beschleunigte Produktionsgeschwindigkeit, eine höhere Energieeffizienz und eine verbesserte Recyclingfähigkeit. Der Ansatz konzentriert sich auf die Optimierung des Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses von Materialien, wodurch Bauteile die erforderliche mechanische Leistung beibehalten oder übertreffen können, während die Gesamtmasse minimiert wird.

Der Wandel hin zum Leichtbau steht im Einklang mit dem breiteren Übergang der Luft- und Raumfahrtindustrie zu einer volumenstarken Hochgeschwindigkeitsproduktion, die eine schnellere, wiederholbare Fertigung von Flugzeugen, Satelliten und fortschrittlichen Plattformen für die Luftmobilität erfordert. In den USA verfolgt die NASA das Ziel, eine Hochgeschwindigkeitsfertigung zu erreichen, um die Marktführerschaft und Kosteneffizienz der USA zu verbessern.¹

Der Leichtbau wird durch Fortschritte bei Verbundwerkstoffen vorangetrieben, die heute das dominierende Material in der Luft- und Raumfahrt sind. Für den Markt für thermoplastische Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt wird für die nächsten sechs Jahre eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 16,8 % prognostiziert,² was Herstellern, die die einzigartigen Anforderungen dieses expandierenden Marktes erfüllen können, eine hervorragende Chance bietet. Die Herstellung der nächsten Generation leichter Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt ist jedoch mit besonderen Herausforderungen verbunden. Dieser Blogbeitrag untersucht, wie führende Forscher leichte, effiziente Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt optimieren, ohne dabei Kompromisse bei Festigkeit oder Leistung einzugehen.

Sandwichstrukturen sind mehrschichtige Hochleistungsverbundwerkstoffe, die aus zwei dünnen Deckschichten und einem leichten zellularen Kern bestehen.³ Das hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und die Steifigkeit dieser Materialien machen sie ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Zwei thermische Analyseverfahren eignen sich zur Optimierung von Sandwichstrukturen, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) misst die thermische Stabilität und den Abbau und hilft Ingenieuren bei der Auswahl von Materialien, die bei hohen Temperaturen nicht an Festigkeit verlieren oder versagen. Die Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) analysiert das Schmelz-, Kristallisations- und Glasübergangsverhalten, um ideale Verarbeitungsbedingungen zu identifizieren und Mischungen mit den günstigsten Phasenübergängen auszuwählen.

Forscher entwickelten neue 4D-gedruckte biobasierte Formgedächtnis-Sandwichstrukturen unter Verwendung von Waters TA Instruments, um verschiedene Materialmischungen zu bewerten.⁴ Ihr Waters TGA half ihnen bei der Bewertung der thermischen Stabilität ihres neuen Materials und bestätigte, dass ihre verschiedenen Mischungen einen nahezu identischen thermischen Abbau aufwiesen. Sie untersuchten das Schmelz- und Kristallisationsverhalten mit einem Waters DSC gemäß ASTM D3418, das aufgrund einiger Additive eine Abnahme der Glasübergangstemperatur (Tg) und bei einer Mischung einen deutlicheren Schmelzendotherm zeigte. Diese Analyse ist unerlässlich, um die Unterschiede zwischen den Mischungen zu bestimmen und diejenige auszuwählen, die für einen spezifischen Endanwendungsfall optimal ist.

Die Maximierung des Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses eines Materials wird durch die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) unterstützt, die die mechanischen Eigenschaften von Materialien in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur und Frequenz misst. DMA unterstützt den Leichtbau durch die Quantifizierung des Speichermoduls zur Identifizierung von Formulierungen mit hoher Steifigkeit und geringer Masse, die Charakterisierung der Dämpfung (tan δ) zum Ausgleich von struktureller Steifigkeit und Schwingungsdämpfung sowie die Verfolgung thermischer Übergänge zur Gewährleistung der Steifigkeitserhaltung über die Einsatztemperaturen hinweg.

Hochtemperatur-Antriebssysteme setzen auf Duroplaste wie BMI aufgrund ihrer Tg und thermischen Stabilität. NASA-Forscher verwendeten ein Waters DMA, um Harze für Brennkammern unter typischen Hochtemperatur-Raketenbedingungen zu untersuchen, von kryogenen bis zu hohen Temperaturen.⁵ Ihr Test bestätigte, dass die Tg mit höheren Nachhärtungstemperaturen anstieg, jedoch mit einer leichten Verringerung des Moduls bei allen Temperaturen unterhalb des Tg-Beginns.

Neue Fertigungstechniken treiben Innovationen im Leichtbau voran: Induktionsschweißen und Ultraschallschweißen sind effizient für eine präzise und konsistente Leichtbaufertigung in hohen Stückzahlen. DMA unterstützt das Schweißdesign durch die Bewertung, wie sich Speicher- und Verlustmodul mit der Temperatur ändern. Forscher bewerteten die Auswirkungen des Vorwärmens auf das Ultraschallschweißen von kohlenstofffaserverstärkten PEEK-Verbundlaminaten unter Verwendung eines Waters DMA.⁶ Die Daten zeigten, dass sich die Fähigkeit des Materials zur Energiedissipation mit der Temperatur ändert, was ein Hauptfaktor für die Wärmeentwicklung während des Schweißens ist. Mit DMA identifizierten sie den Peak des Verlustmoduls, bei dem das Material am effizientesten Ultraschallschwingungen in interne Wärme umwandelt, und passten das Vorwärmen an, um diese Fähigkeit zu nutzen.

Eine weitere wachsende Methode zur Herstellung von Leichtbaumaterialien ist die additive Fertigung, die eine erhöhte Automatisierung, Komplexität, Materialökonomie und Designflexibilität bietet. In einer aktuellen Studie untersuchten Forscher zwei additive Fertigungsverfahren zur Herstellung kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoffe (CFK) für sekundäre Luftfahrtstrukturen.⁷ Sie verwendeten ein Waters DMA zur Untersuchung des viskoelastischen Verhaltens und der thermischen Übergänge des Materials sowie einen thermomechanischen Analysator (TMA) zur Messung von Dimensionsänderungen in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur und Kraft. Sie stellten fest, dass die Druckparameter die Dimensionsstabilität maßgeblich beeinflussten.

Schließlich ist die thermische Analyse entscheidend für die Vorhersage der Endanwendungsleistung und Sicherheit neuer Leichtbaumaterialien. Beispielsweise untersuchten Forscher bei der Entwicklung einer T-Verbindung aus Verbundwerkstoff für Flugzeugrümpfe und -tragflächen mittels DMA, Rheologie und DSC, wie die Verbindung unter Betriebsbedingungen reagiert, um sicherzustellen, dass sie während des Fluges stabil bleibt.⁸ Ebenso zeigt ein Anwendungsbericht von Waters-Wissenschaftlern die Bedeutung der TGA für Vorhersagen zur Endanwendung, da sie die Zersetzungstemperatur bestimmen und die Polymerlebensdauer in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit abschätzen kann.⁹ Über diese Studien hinweg unterstützte die thermische Analyse Endanwendungsvorhersagen für neue Leichtbaumaterialien, die für anspruchsvolle Einsatzumgebungen konzipiert sind, wodurch Risiken reduziert und Innovationen beschleunigt werden.

Die oben genannten Studien veranschaulichen die Bedeutung der thermischen und mechanischen Analyse zur Überprüfung der Festigkeit, Lebensdauer und Stabilität von Leichtbaumaterialien unter anspruchsvollen Luft- und Raumfahrtbedingungen. Da Hersteller weiterhin nach höheren Produktionsraten und noch aggressiverer Gewichtsreduzierung streben, liefern Verfahren wie DSC, TGA, DMA und Rheologie die notwendigen Daten, um Materialien zu entwickeln, die nicht nur leichter, sondern auch sicherer und zuverlässiger über ihre gesamte Lebensdauer hinweg sind. Von der Optimierung der Verarbeitungsbedingungen bis zur Analyse des thermischen Abbaus ist die Materialcharakterisierung ein Eckpfeiler für Sicherheit und Effizienz im Leichtbau.

1. Taminger, K. NASA High-Rate Aerostructures Technology Plans; National Aeronautics and Space Administration, 2020. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20200004300/downloads/20200004300.pdf.
2. Rajat Zope. Marktgröße und -anteil für thermoplastische Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt, 2032. Persistence Market Research. https://www.persistencemarketresearch.com/market-research/aerospace-thermoplastic-composites-market.asp (abgerufen am 18.05.2026).
3. Muh. Ilham Akbar; Bidayatul Armynah; Tahir, D. Sandwich Composite Structure (SCS): Überprüfung von Materialien auf Holzbasis mit Polymeren und Metallen als Füllstoff für die Abschirmung elektromagnetischer Interferenzen (EMI). Industrial Crops and Products 2024, 215, 118619–118619. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.118619.
4. Ghalayaniesfahani, A.; Oostenbrink, B.; Kasteren, H. van; Gibson, I.; Mehrshad Mehrpouya. 4D-Druck von biobasierten Formgedächtnis-Sandwichstrukturen. Polymer 2024, 307, 127252–127252. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2024.127252.
5. Stelter, C.; Park, C.; Chu, S.-H.; Hudson, T. Dynamisch-mechanische Analyse von nachgehärteten Bismaleimidharzen für verbundummantelte Brennkammern, die von kryogenen bis zu hohen Temperaturen zyklisch belastet werden. Nasa.gov. https://ntrs.nasa.gov/citations/20240012459 (abgerufen am 18.05.2026).
6. Takeda, S.; Kugi, D.; Hoshi, H.; Mohammad Fikry, M. J.; Ogihara, S. Einfluss des Vorwärmens auf das Ultraschallschweißen von CF/PEEK-Verbundlaminaten. Composite Structures 2025, 373, 119668. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2025.119668.
7. Maier, R.; Istrate, A. M.; Despa, A.; Mandoc, A. C.; Bucaciuc, S.; Stoica, R. Untersuchung des thermomechanischen Verhaltens von Polymerverbundwerkstoffen, die durch additive Fertigungsverfahren hergestellt wurden. Materials 2022, 15 (14), 5069. https://doi.org/10.3390/ma15145069.
8. Zhang, T.; Luo, Z.; Deng, J.; Pei, Y.; Cheng, X. Ein neuartiges Herstellungsverfahren für geschraubte T-Verbindungen aus Verbundwerkstoffen mit hoher Biegefestigkeit auf Basis des Prepreg-RTM-Co-Curing-Verfahrens. Polymers 2024, 16 (9), 1259. https://doi.org/10.3390/polym16091259.
9. Browne, J. Thermische Analyse von Polyetheretherketon (PEEK) – Waters TA Instruments. https://www.tainstruments.com/applications-notes/thermal-analysis-of-polyether-ether-ketone-peek-ta496/.