Zurück zum 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt
Verfasst von Felix Lee
CEO bei Forgecise
Veröffentlicht: 18. August 2026
Letzte Aktualisierung: 18. August 2026
Table of Contents
Kurzantwort
Die additive Fertigung von Flugzeuggondelstrukturen nutzt 3D-Metalldruck und Topologieoptimierung, um leichtere und stabilere Bauteile für die Luft- und Raumfahrt herzustellen. Technologien wie LPBF und EBM ermöglichen es Ingenieuren, Materialverschwendung zu reduzieren, die Struktureffizienz zu verbessern und mehrere Teile zu optimierten Einzelkonstruktionen zu kombinieren.
Wichtigste Erkenntnisse
- Flugzeuggondeln benötigen robuste Strukturen, die Vibrationen, Hitze und aerodynamischen Kräften standhalten können.
- Die Topologieoptimierung hilft Ingenieuren dabei, unnötiges Material zu entfernen und gleichzeitig die Festigkeit zu erhalten.
- LPBF, EBM und DMLS ermöglichen die Herstellung komplexer Luft- und Raumfahrtbauteile, die mit herkömmlichen Bearbeitungsmethoden nicht ohne Weiteres gefertigt werden können.
- Airbus und Safran haben additive Fertigungsverfahren bereits für Triebwerksgondelkomponenten eingesetzt.
- Zertifizierung, Ermüdungsprüfung und Produktionskontrolle bleiben wichtige Voraussetzungen für eine breitere Anwendung.
Warum werden Flugzeuggondelstrukturen zunehmend additiv gefertigt?
Flugzeuggondeln sind keine einfachen Abdeckungen um Triebwerke. Sie sind strukturelle Systeme, die Verkleidungen, Scharniere, Halterungen und andere lasttragende Bauteile stützen.
Während des Fluges sind diese Strukturen folgenden Einflüssen ausgesetzt:
- Hochgeschwindigkeits-Luftströmungskräfte
- Motorvibrationen
- Akustische Belastungen
- Thermische Änderungen
- Wiederholte mechanische Belastung
Zu den traditionellen Fertigungsmethoden gehören die CNC-Bearbeitung von Metallblöcken, das Gießen und das Schweißen von Blechbaugruppen.
Diese Methoden funktionieren zwar gut, schränken aber die Möglichkeiten der Designer ein.
Bei bearbeiteten Teilen wird oft zusätzliches Material benötigt, da die Schneidwerkzeuge nicht alle Bereiche erreichen können. Auch Gussteile erfordern Konstruktionen, die den Fertigungsgrenzen entsprechen.
Die additive Fertigung von Metallen ändert diesen Ansatz.
Anstatt Material von einem großen Block abzutragen, fertigen die Ingenieure Teile auf Basis der tatsächlichen Belastungsanforderungen an.
Dies ermöglicht es Luft- und Raumfahrtunternehmen, Folgendes herzustellen:
- Leichtere Strukturen
- Effizientere Lastpfade
- Weniger Bauteile
- Geringerer Materialabfall
Wie verbessert Topologieoptimierung Luft- und Raumfahrtstrukturen?
Die Topologieoptimierung nutzt Computersimulationen, um herauszufinden, wo Material benötigt wird und wo es entfernt werden kann.
Die Grundidee ist einfach:
Eine Konstruktion sollte Lasten effizient tragen und nicht einfach nur so viel Material wie möglich enthalten.
Traditionelles Design orientiert sich oft an Fertigungsregeln.
Die Topologieoptimierung folgt dem Strukturverhalten.
Von massiven Blöcken zu optimierten Lastpfaden
Eine herkömmliche Gondelhalterung kann als massive Metallform beginnen.
Stress ist jedoch nicht gleichmäßig verteilt.
In einigen Gebieten sind große Streitkräfte stationiert.
Andere Bereiche erhöhen das Gewicht, ohne die Leistung zu verbessern.
Durch Topologieoptimierung werden minderwertige Materialien entfernt und organische Strukturen erzeugt, die leichten Fachwerksystemen ähneln.
Gängige Optimierungsmethoden sind:
SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization)
SIMP passt die Materialdichte innerhalb von Finite-Elemente-Modellen an und reduziert gleichzeitig die strukturelle Nachgiebigkeit.
Evolutionäre Strukturoptimierung (ESO)
ESO entfernt Material schrittweise unter Beibehaltung der erforderlichen Festigkeit.
Level-Set-Optimierung
Dieses Verfahren verändert die äußere Begrenzungsform einer Struktur, um die Leistung zu verbessern.
Bei Gondelscharnieren, Aktuatorhalterungen und Verkleidungshalterungen helfen diese Methoden den Ingenieuren, effiziente Konstruktionen zu erstellen, die den realen Belastungspfaden entsprechen.
Wie reduziert die additive Fertigung den Materialabfall in der Luft- und Raumfahrt?
Ein wesentlicher Vorteil der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt ist das niedrigere Kosten-Nutzen-Verhältnis.
Buy-to-Fly beschreibt die Menge des eingekauften Rohmaterials im Vergleich zum Endgewicht der Flugzeugkomponenten.
Traditionelle Fertigung
Teile aus Titan- und Nickellegierungen, die aus Rohlingen gefertigt werden, weisen häufig folgende Merkmale auf:
Kauf-zu-Fly-Verhältnis: 15:1 bis 40:1
Große Mengen an teurem Material fallen bei der Bearbeitung an.
Additive Fertigung
LPBF und EBM erzeugen Bauteile, die ihrer endgültigen Form sehr nahe kommen.
Typisch:
Kauf-zu-Fly-Verhältnis: 1,1:1 bis 3:1
Vorteile:
- Weniger Rohstoffverschwendung
- Geringere Bearbeitungsanforderungen
- Bessere Nutzung teurer Luft- und Raumfahrtlegierungen
- Reduzierter Produktionsabfall
Welche Materialien werden für die additive Fertigung von Flugzeuggondeln verwendet?
Die Materialwahl hängt ab von:
- Temperaturbereich
- Mechanische Belastungen
- Gewichtsziele
- Schwingungsbedingungen
- Verbindungsanforderungen bei Verbundkonstruktionen
| Material | Dichte | Stärke | Temperaturbereich | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 2,67 g/cm³ | 330–460 MPa Zugfestigkeit | Bis zu 150 °C | Verkleidungshalterungen und -befestigungen |
| Scalmalloy® | 2,67 g/cm³ | 480–520 MPa Zugfestigkeit | Bis zu 200 °C | Leichte Strukturstützen |
| Ti-6Al-4V | 4,43 g/cm³ | 900–1150 MPa Zugfestigkeit | 350–400 °C | Scharniere und Befestigungspunkte |
| Inconel 718 | 8,19 g/cm³ | 1200–1400 MPa Zugfestigkeit | Bis zu 650 °C | Hitzebeständige Gondelkomponenten |
Warum ist Scalmalloy wichtig für leichte Luft- und Raumfahrtbauteile?
Scalmalloy ist eine Aluminium-Magnesium-Scandium-Zirkonium-Legierung, die für die additive Fertigung mit hoher Leistung entwickelt wurde.
Beim LPBF-Verfahren erzeugt die schnelle Abkühlung ein feines Mikrogefüge.
Nach der Wärmebehandlung verbessern sich die Al₃(Sc,Zr)-Nanopartikel:
- Kornstabilität
- Stärke
- Rissbeständigkeit
Scalmalloy kann eine Streckgrenze von nahezu 480 MPa erreichen und dabei eine aluminiumähnliche Dichte beibehalten.
Seine spezifische Streckgrenze:
179,8 MPa/(g/cm³)
Ti-6Al-4V bleibt widerstandsfähiger:
203,1 MPa/(g/cm³)
Bei Konstruktionen, die unterhalb von etwa 200°C betrieben werden, kann Scalmalloy jedoch in einigen Anwendungen schwerere Titanbauteile ersetzen.
Wie hat Airbus additive Fertigung für Triebwerksverkleidungskomponenten eingesetzt?
Ein bekanntes Beispiel ist die Scharnierhalterung der Triebwerksgondel des Airbus A320.
Das Originalbauteil bestand aus Feingussstahl.
Die Klammer:
- Verbundene Motorhaubentüren
- Erfahrene Vibrationsbelastungen
- Erforderliche lange Lebensdauer
Die neu gestaltete Komponente wurde verwendet:
- DMLS-Fertigung
- Ti-6Al-4V-Material
- Topologieoptimierung
Ergebnisse:
| Besonderheit | Original | Optimiertes AM |
|---|---|---|
| Material | Stahlguss | Ti-6Al-4V |
| Gewicht | 544 g | 196 g |
| Gewichtsreduktion | — | 64 % |
| Steifheit | Ausgangswert | 40% Verbesserung |
Für vier Halterungen pro Flugzeugtriebwerksinstallation:
Gewichtsersparnis:
ungefähr 1,392 kg
Bei langen Einsatzzeiten von Flugzeugen können bereits geringe Gewichtseinsparungen den Treibstoffverbrauch und die Betriebskosten senken.
Wie setzt Safran Gocelles additive Fertigung ein?
Safran Nacelles hat additive Fertigungsverfahren in Antriebssystemen für Verkehrsflugzeuge und Geschäftsreiseflugzeuge eingesetzt.
Programme im Zusammenhang mit:
- Clean Sky 2
- Saubere Luftfahrt
- NIPSE
haben Möglichkeiten untersucht, die Größe der Ausrüstung zu reduzieren und die Gondelintegration zu verbessern.
Das NIPSE-Programm erreichte Folgendes:
- Reduzierung des Gerätevolumens und der Masse um etwa 10 %
- Reduzierung der Routing-Entwicklungszeit um etwa 40 %
Safran arbeitete außerdem mit AnyShape an LPBF-AlSi10Mg-Bohrvorrichtungen für das Rolls-Royce Pearl 700-Gondelprogramm.
Diese Werkzeuge wurden verbessert:
- 90° Bohrgenauigkeit
- Toleranzkontrolle der Montage
- Fertigungskonstanz
Was sind die größten Herausforderungen der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt?
Die additive Fertigung von Metallen hat bewiesen, dass sie die Herstellung von robusten und leichten Luft- und Raumfahrtstrukturen ermöglicht. Der Übergang von Prototypen zu flugtauglichen Bauteilen erfordert jedoch die Bewältigung mehrerer technischer Herausforderungen.
Zu den größten Herausforderungen gehören:
- Teile entwerfen, die tatsächlich gedruckt werden können
- Kontrolle der Ermüdungsleistung
- Produktionskostenmanagement
- Erfüllung der Anforderungen an die Luftfahrtzertifizierung
Warum muss Topologieoptimierung mit Design für additive Fertigung (DFAM) kombiniert werden?
Topologieoptimierung erzeugt nicht automatisch ein serienreifes Bauteil für die Luft- und Raumfahrt.
Eine computergenerierte Struktur mag zwar effizient erscheinen, kann aber Fertigungsprobleme verursachen, wie zum Beispiel:
- Schwierige Unterstützungsanforderungen
- Unerreichbare Bearbeitungsbereiche
- Eingeschlossenes Pulver in Hohlräumen
- Schwache Spannungskonzentrationspunkte
Deshalb verwenden Luft- und Raumfahrtingenieure Design für additive Fertigung (DFAM) nach der Optimierung.
DFAM wandelt optimierte Formen in praktische Serienteile um.
Wichtige DFAM-Regeln umfassen:
Selbsttragende Geometrie
Bei der Metall-LPBF-Produktion entwerfen Ingenieure häufig Strukturen mit Überhangwinkeln von mehr als:
45° relativ zur Bauplattform
Dadurch verringert sich der Bedarf an Stützmaterial.
Bearbeitungszugaben
Kritische Oberflächen benötigen nach dem Druck zusätzliches Material.
Übliche Zulage:
1,5–3,0 mm
Verwendungszweck:
- Bolzenlöcher
- Pin-Positionen
- Präzisions-Montageflächen
- Gewindebereiche
Diese Bereiche können anschließend der abschließenden CNC-Bearbeitung unterzogen werden.
Design zur Pulverentfernung
Innere Hohlräume müssen das Entweichen von ungenutztem Pulver ermöglichen.
Mangelhafte Pulverentwässerung kann Folgendes verursachen:
- Zusätzliches Gewicht
- Inspektionsprobleme
- Risiken interner Kontamination
Wie können Luft- und Raumfahrtunternehmen die Dauerfestigkeit von additiv gefertigten Metallbauteilen verbessern?
Die Dauerfestigkeit ist einer der wichtigsten Aspekte bei Flugzeughardware.
Die Komponenten der Triebwerksgondel von Flugzeugen sind im Betrieb Millionen von Vibrationszyklen ausgesetzt.
Die im LPBF-Verfahren hergestellten Oberflächen weisen üblicherweise folgende Merkmale auf:
Oberflächenrauheit: Ra ≈10–25 μm
Durch die raue Oberfläche können kleine Spannungskonzentrationspunkte entstehen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Schmiedewerkstoffen kann die Dauerfestigkeit um Folgendes abnehmen:
30–50 %
wegen:
- Oberflächenrauheit
- Innere Poren
- Fusionsdefekte
Wie werden AM-Bauteile nach dem Drucken verbessert?
Flugkritische Bauteile für die Luft- und Raumfahrt erfordern normalerweise eine Nachbearbeitung.
Heißisostatisches Pressen (HIP)
Beim HIP-Verfahren werden hohe Temperaturen und hoher Druck eingesetzt, um innere Defekte zu schließen.
Typische Bedingungen für die HIP-Verpressung von Titan:
- Temperatur: 900–1000 °C
- Argondruck: 100–150 MPa
Vorteile:
- Entfernt innere Hohlräume
- Verbessert die Materialdichte
- Erhöht die Zuverlässigkeit
Zieldichte:
Über 99,92 %
Oberflächenveredelungsverfahren
Gängige Oberflächenbehandlungsverfahren umfassen:
- CNC-Bearbeitung
- Kugelstrahlen
- Abrasives Fließbearbeiten
- Chemisches Polieren
Ziel ist es, die Oberflächenrauheit zu verringern.
Typisches Ziel:
Ra <1,6 μm
Diese Behandlungen verbessern die Dauerfestigkeit, indem sie die Rissinitiierungspunkte verringern.
Wie werden Triebwerksgondelkomponenten unter realen Flugbelastungen getestet?
Die Gondelstützkonstruktionen sind komplexen Belastungsbedingungen ausgesetzt.
Ingenieure müssen Folgendes berücksichtigen:
- Aerodynamischer Widerstand
- Triebwerksschubkräfte
- Wärmeausdehnung
- Akustische Schwingungen
- Landeaufprallkräfte
Diese Kräfte werden häufig in der Finite-Elemente-Analyse (FEA) kombiniert.
Eine Halterung wird nicht nur auf eine Kraftrichtung geprüft.
Es muss mehreren Lastfällen gleichzeitig standhalten.
Sicherheitsfaktoren und Lastanforderungen für die Luft- und Raumfahrt
Bei zivilen und militärischen Luft- und Raumfahrtstrukturen werden strenge Sicherheitsmargen eingehalten.
Typische Anforderungen sind:
- Ultimativer Sicherheitsfaktor: 1,50
- Renditespanne: 1,15–1,25
Die Tests können Folgendes umfassen:
- Statische Belastungsprüfung
- Dynamische Schwingungsprüfung
- Ermüdungsspektrumprüfung
Zur Erlangung einer höheren Qualifikation bewerten Ingenieure:
- Mehrachsige Belastungen
- Strukturelle Deformation
- Risswachstumsverhalten
Ist die additive Fertigung günstiger als die traditionelle Luft- und Raumfahrtfertigung?
Die Antwort hängt vom jeweiligen Teil ab.
Die additive Fertigung von Metallen ist nicht automatisch günstiger als die spanende Bearbeitung oder das Gießen.
Die Materialkosten können höher sein.
Zum Beispiel:
- Scalmalloy-Pulver kann über 200 $/kg kosten.
- Konventionelles Aluminiumblech ist viel billiger
Die Kosten können jedoch nicht allein anhand des Produktionspreises gemessen werden.
Der vollständige Business Case umfasst:
- Weniger Materialverschwendung
- Weniger Bauteile
- Reduzierter Werkzeugbedarf
- Niedrigere Inspektions- und Montagearbeiten
- Einsparungen beim Flugzeugtreibstoff über Jahrzehnte
Wann ist additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt wirtschaftlich sinnvoll?
Die additive Fertigung ist besonders wertvoll für Bauteile, die folgende Eigenschaften aufweisen:
- Komplexe Geometrie
- Hoher Materialwert
- Niedriges bis mittleres Produktionsvolumen
- Große Möglichkeiten zur Gewichtsreduktion
Eine einfache Aluminiumhalterung könnte in der Herstellung immer noch günstiger sein.
Eine komplexe Titanstruktur mit vielen zusammengebauten Teilen könnte ein vielversprechender Kandidat für die additive Fertigung sein.
Wie werden additiv gefertigte Flugzeugkomponenten zertifiziert?
Die Zertifizierung ist einer der wichtigsten Schritte, bevor AM-Bauteile in den kommerziellen Flugzeugeinsatz gelangen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Werkstoffen hängen die Eigenschaften additiver Fertigungsverfahren von Folgendem ab:
- Maschineneinstellungen
- Pulverqualität
- Baurichtung
- Thermische Verarbeitung
Aus diesem Grund fordern die Luft- und Raumfahrtbehörden detaillierte Qualifizierungsprogramme.
Welche Luft- und Raumfahrtnormen unterstützen die additive Fertigung von Metallen?
Wichtige Normen umfassen:
| Standard | Organisation | Zweck |
|---|---|---|
| FAA-Entwurf AC 20-191 | Bundesluftfahrtbehörde | Leitfaden für additiv gefertigte Flugzeughardware |
| FAA PS-ANM-25-12 | FAA | Bewertung der Ermüdungs- und Schadensverträglichkeit |
| SAE AMS7000 | SAE International | LPBF-Prozesssteuerung |
| SAE AMS7001 | SAE International | Anforderungen an die additive Fertigung von Nickellegierungen |
| SAE AMS7002 / AMS7003 | SAE International | Pulverqualität und Recyclingkontrolle |
| SAE AMS7004 / AMS7005 | SAE International | Wärmebehandlung und HIP-Verfahren |
Diese Normen helfen bei der Kontrolle:
- Materialkonsistenz
- Pulverqualität
- Wiederholbarkeit der Fertigung
- Nachbearbeitungsanforderungen
Was ist der Qualifizierungsprozess für additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt?
Unternehmen der Luft- und Raumfahrtbranche verfolgen üblicherweise einen vierstufigen, modularen Testansatz.
Stufe 1: Materialprobenprüfung
Ingenieure drucken Tausende kleiner Testmuster.
Die Prüfung umfasst:
- Verschiedene Maschinen
- Unterschiedliche Bauanleitungen
- Verschiedene Pulverchargen
Ziel ist es, verlässliche Materialauslegungswerte zu ermitteln:
- A-Basis-Zulässigkeiten
- B-Basis-Zulässigkeiten
Stufe 2: Prüfung von Bauteilen
Ingenieure testen kleinere Strukturdetails wie zum Beispiel:
- Befestigungspositionen
- Stiftverbindungen
- Gitterverbindungen
Dies dient der Identifizierung lokaler Stressreaktionen.
Stufe 3: Subkomponententests
Die kompletten Strukturbauteile werden geprüft.
Beispiele:
- Gondelscharnierbeschläge
- Verkleidungshalterungen
Die Tests umfassen:
- Hydraulische Belastung
- Schwingungsprüfung
- Bedingungen mit hoher Belastung
Stufe 4: Vollständige Montage und Flugvalidierung
Die letzte Phase umfasst:
- Flugzeugintegration
- Flugerprobung
- Zerstörungsfreie Prüfung
Zu den Inspektionsmethoden gehören:
- Ultraschallprüfung
- Computertomographie (CT)
Welche Zukunft hat die additive Fertigung für Flugzeuggondelstrukturen?
Die nächste Phase der Luft- und Raumfahrtfertigung wird Folgendes kombinieren:
- Metallische additive Fertigung
- Künstliche Intelligenz
- Generatives Design
- Digitales Engineering
- Automatisierte Inspektion
Zukünftige Gondelstrukturen werden voraussichtlich weniger Bauteile und stärker integrierte Konstruktionen aufweisen.
Die größte Veränderung ist nicht der Drucker selbst.
Die größere Veränderung liegt in der Denkweise beim Design.
Ingenieure wechseln von:
„Wie können wir dieses bestehende Teil herstellen?“
Zu:
„Welche Struktur ist für dieses Flugzeugsystem am effizientesten?“
Dieser Wandel schafft Möglichkeiten für leichtere Flugzeuge, einen geringeren Treibstoffverbrauch und eine effizientere Produktion.
Häufig gestellte Fragen
Was ist additive Fertigung für Flugzeuggondelstrukturen?
Die additive Fertigung von Triebwerksgondelstrukturen nutzt Metall-3D-Drucktechnologien wie LPBF und EBM zur Herstellung von äußeren Triebwerkshalterungen, Stützen und Verkleidungsteilen. Sie ermöglicht es Ingenieuren, Leichtbaustrukturen mit optimierter Geometrie zu fertigen und gleichzeitig den Materialverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren zu reduzieren.
Wie hilft die Topologieoptimierung Luft- und Raumfahrtingenieuren?
Die Topologieoptimierung nutzt Computersimulationen, um unnötiges Material zu entfernen und gleichzeitig die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit zu erhalten. Sie identifiziert effiziente Lastpfade und erzeugt Leichtbaustrukturen, die mit herkömmlichen Bearbeitungs- oder Gießverfahren nur schwer herzustellen sind.
Welche Metalle werden für die additive Fertigung von Flugzeuggondeln verwendet?
Gängige Werkstoffe sind AlSi10Mg, Scalmalloy®, Ti-6Al-4V und Inconel 718. Aluminiumlegierungen werden für leichtere Anwendungen bei niedrigen Temperaturen eingesetzt, Titan für stärkere Strukturbauteile und Nickellegierungen eignen sich für höhere Temperaturen.
Warum ist die Zertifizierung für 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt so schwierig?
Die Zertifizierung ist anspruchsvoll, da sich die Materialeigenschaften von AM-Bauteilen je nach Maschineneinstellungen, Pulverqualität, Baurichtung und Wärmebehandlung ändern können. Luft- und Raumfahrtunternehmen müssen die reproduzierbare Leistung durch umfangreiche Tests nachweisen, bevor sie eine Flugzulassung erhalten.
Ersetzt die additive Fertigung von Metallen die traditionelle Luft- und Raumfahrtindustrie?
Die additive Fertigung von Metallen ersetzt nicht alle traditionellen Verfahren. Sie eignet sich am besten für komplexe, leichte und hochwertige Bauteile, bei denen Designfreiheit, reduzierter Montageaufwand und Einsparungen über den gesamten Lebenszyklus Vorteile bieten.
Informationen zum Autor
Verfasst von Felix Lee
Felix Lee ist der CEO bei ForgeciseSein Fokus liegt auf fortschrittlichen Fertigungstechnologien, industrieller Innovation und technischen Lösungen. Seine Arbeit umfasst die Einführung von Fertigungsmethoden der nächsten Generation, die Unternehmen dabei helfen, Produktdesign, Effizienz und Produktionsleistung zu verbessern.
Technischer Prüfbericht
Dieser Artikel basiert auf additiven Fertigungskonzepten für die Luft- und Raumfahrt, darunter:
- LPBF- und EBM-Prozesse
- Topologieoptimierungsmethoden
- Auswahl von Legierungen für die Luft- und Raumfahrt
- Gondelstrukturelle Anwendungen
- AM-Qualifizierungspraktiken
Die technischen Details wurden für Entscheidungsträger im Ingenieurwesen, Fertigungsteams und Fachleute aus der Luft- und Raumfahrtindustrie aufbereitet.
Haftungsausschluss
Dieser Artikel bietet allgemeine technische Informationen zur additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt. Konstruktion, Prüfung und Zertifizierung von Flugzeugkomponenten müssen den genehmigten Konstruktionsverfahren und den Anforderungen der Luftfahrtbehörden entsprechen.