Werkstoffe für Luft- und Raumfahrtkomponenten: Leitfaden zur Wahl

Die Wahl des am besten geeigneten Werkstoffs für eine Luft- und Raumfahrtkomponente ist eine der heikelsten Konstruktionsentscheidungen. Jedes Gramm wirkt sich auf den Kraftstoffverbrauch aus, jede Einschränkung der Temperaturbeständigkeit kann die Zulassungsfähigkeit beeinträchtigen, und jede Entscheidung hat direkte Folgen für die Lufttüchtigkeitszertifizierung. In der Luft- und Raumfahrtbranche folgt die Werkstoffauswahl strengen Kriterien: Maximierung des Festigkeit-Gewicht-Verhältnisses, Gewährleistung zuverlässiger Leistung unter extremen Bedingungen und Einhaltung strenger Vorschriften in Bezug auf Entflammbarkeit, Toxizität und Ausgasung.

Dieser Leitfaden vergleicht die wichtigsten heute für die Luft- und Raumfahrt verfügbaren Hochleistungswerkstoffe, von strukturellen technischen Polymeren wie PA12 und PA11 bis hin zu Superpolymeren wie PEEK, PEEK CF, PEEK GF und PPS CF. Der Vergleich umfasst eine Vergleichstabelle und spezifische Empfehlungen je nach Anwendung.

Anforderungen an Luft- und Raumfahrtwerkstoffe

Ein für Luft- und Raumfahrtanwendungen bestimmter Werkstoff muss mehreren, oft miteinander in Konflikt stehenden Anforderungen gleichzeitig gerecht werden. Es gibt fünf grundlegende Kriterien:

1. Geringes spezifisches Gewicht → Jedes eingesparte Kilogramm auf einem Verkehrsflugzeug kann sich über die Betriebsdauer in Tausende Liter weniger Kraftstoff übersetzen. Im Fall eines Satelliten ist der Vorteil noch bedeutender, da die Massereduzierung die Startkosten direkt beeinflussen kann, die bis zu 20.000 €/kg erreichen können.
2. Hohes Festigkeit-Gewicht-Verhältnis → Es ist eine der wichtigsten Bewertungskennzahlen im Luft- und Raumfahrtbereich. Bevorzugt werden Werkstoffe mit hoher spezifischer Festigkeit, das heißt einem hohen Verhältnis zwischen mechanischer Festigkeit und Dichte.
3. Temperaturbeständigkeit → Luft- und Raumfahrtkomponenten können extrem weiten Temperaturbereichen ausgesetzt sein: von etwa −150 °C im tiefen Weltraum bis über 200 °C in den Bereichen nahe dem Triebwerk oder anderen Wärmequellen.
4. Chemische Beständigkeit → Die Werkstoffe müssen ihre Leistung auch in Gegenwart von Kraftstoffen, Hydraulikölen, Enteisungsflüssigkeiten (De-Icing), Ozon, UV-Strahlung und kosmischer Strahlung beibehalten.
5. Zertifizierungen → Die Einhaltung der Vorschriften ist eine unabdingbare Anforderung. Für kabineninterne Komponenten sind die Vorschriften FAR 25.853 zu Entflammbarkeit, Rauchentwicklung und Toxizität relevant. Für Raumfahrtanwendungen hingegen ist die Kontrolle der Ausgasung (Outgassing) gemäß ASTM E595 grundlegend, mit TML-Werten unter 1 % und CVCM unter 0,1 %. Zu diesen Anforderungen kommen die für die Lufttüchtigkeit erforderlichen EASA- und FAA-Qualifikationen hinzu.

Neben diesen Hauptkriterien müssen auch die Ermüdungsbeständigkeit, die Schlagzähigkeit (zum Beispiel bei Vogelschlag oder Mikrometeoriten), die Kompatibilität mit der additiven Fertigung, die in der Branche zunehmend verbreitet ist, und die vollständige Rückverfolgbarkeit der Werkstoffcharge berücksichtigt werden.

Strukturrahmen für Satelliten aus kohlenstofffaserverstärktem PEEK

Warum ersetzen Polymere die Metalle in der Luft- und Raumfahrt?

Das Phänomen des Metal Replacement, also der Ersatz von Bauteilen aus Aluminium, Magnesium oder Stahl durch technische Hochleistungspolymere und -verbundwerkstoffe, ist einer der stärksten Trends des letzten Jahrzehnts. Die Gründe:

• um 40–70 % reduziertes Gewicht gegenüber Metallen;
• geometrische Freiheit durch den 3D-Druck, der Bearbeitungen und Montagen eliminiert;
• Wegfall der galvanischen Korrosion und der Korrosionsschutzverfahren;
• intrinsische elektrische und thermische Isolierung;
• verkürzte Time-to-Market dank des Wegfalls von Werkzeugen.

Die wichtigsten Werkstoffe für Luft- und Raumfahrtkomponenten

Betrachten wir im Detail die in der Luft- und Raumfahrtindustrie am häufigsten verwendeten Polymerwerkstoffe, von den „Entry-Level"-Strukturqualitäten bis zu den Superpolymeren für extreme Anwendungen.

PA12 und PA11: strukturell und vielseitig

Langkettige Polyamide stellen eine Referenzlösung für unkritische Luft- und Raumfahrtkomponenten dar: Gehäuse, Kanäle, Sekundärhalterungen, kabineninterne Komponenten.

Charakteristische Merkmale:

• Dichte 1,01–1,04 g/cm³ → zu den leichtesten Strukturpolymeren zählend;
• geringe Feuchtigkeitsaufnahme → unter allen Betriebsbedingungen gewährleistete Maßstabilität;
• ausgezeichnete Ermüdungs- und Schlagzähigkeit, insbesondere PA11;
• volle Kompatibilität mit dem MJF-3D-Druck, nahezu isotrope Eigenschaften;
• PA11 aus biobasiertem Ursprung (Rizinusöl), mit hohem Anteil an erneuerbarem Inhalt.

Die wesentliche Einschränkung ist die Betriebstemperatur, die im Dauerbetrieb bei etwa 90–100 °C liegt. Aus diesem Grund sind PA11 und PA12 Referenzwerkstoffe für das funktionale Prototyping, für die Serienfertigung nicht struktureller Komponenten und für Kabinenanwendungen, die keinen heißen Zonen ausgesetzt sind.

PEEK CF: Satellitenrahmen und Strukturen für Luftfahrzeuge

Mit Kohlenstofffaser verstärktes PEEK ist eines der fortschrittlichsten Superpolymere für hochleistungsfähige Luft- und Raumfahrtanwendungen. Es kombiniert die hervorragenden Eigenschaften der PEEK-Matrix (Polyaryletheretherketon) mit der Verstärkung durch Kohlenstofffasern und ergibt einen Werkstoff, der in vielen strukturellen Anwendungen direkt mit Aluminium konkurriert.

Wesentliche Eigenschaften:

• Dichte ~1,34 g/cm³ (gegenüber 2,70 bei Aluminium 6061);
• hohes Festigkeit-Gewicht-Verhältnis und hohe spezifische Steifigkeit;
• Dauerbetriebstemperatur bis 250 °C;
• ausgezeichnete chemische Beständigkeit, einschließlich gegenüber Kraftstoffen, Hydraulikflüssigkeiten und aggressiven Stoffen;
• Entflammbarkeitsklasse UL94 V-0;
• 3D-druckbar mit industrieller FDM-Technologie.

Typische Anwendungen: Rahmen und Strukturen für Satelliten, Strukturhalterungen, Halterungen für Bordelektronik, Sensorgehäuse und Halterungen für Flugtriebwerke.

PEEK GF: Langlebigkeit unter extremen Betriebsbedingungen

Die mit Glasfaser verstärkte PEEK-Version bietet eine dem PEEK CF ähnliche Leistung mit einigen wichtigen betrieblichen Unterschieden. Im Vergleich zu PEEK CF:

• behält es die elektrische Isolierung bei (Glasfasern sind nicht leitfähig);
• vergleichbare Dichte (~1,35 g/cm³);
• geringere Steifigkeit, aber bessere Isotropie;
• Entflammbarkeitsklasse UL94 V-0 und gleiche Temperaturbeständigkeit wie PEEK CF.

Es ist die ideale Wahl für Komponenten, die eine elektrische Isolierung erfordern, wie Hochtemperatur-Steckverbinder, Bordisolatoren und Halterungen für nicht leitende Anwendungen.

PPS CF: thermische Stabilität und strukturelle chemische Beständigkeit

Mit Kohlenstofffaser verstärktes Polyphenylensulfid (PPS) kombiniert die für ihre außergewöhnliche chemische Beständigkeit bekannte PPS-Matrix mit Kohlenstofffasern, die Steifigkeit und Maßstabilität mitbringen. Es positioniert sich als ergänzende Alternative zu PEEK CF, mit spezifischen Vorteilen hinsichtlich der langfristigen thermischen Stabilität und der Beständigkeit gegenüber aggressiven Flüssigkeiten. Charakteristische Eigenschaften:

• thermische Stabilität bis 250 °C;
• außergewöhnliche chemische Beständigkeit: Es bietet eine äußerst hohe Beständigkeit gegenüber den meisten organischen Lösungsmitteln auch bei Temperaturen nahe 200 °C, einschließlich Kraftstoffen, Luftfahrtölen und aggressiven Enteisungsflüssigkeiten;
• Dichte ~1,34 g/cm³;
• durch die Kohlenstofffasern verliehene elektrische Leitfähigkeit (es ist kein Isolator);
• geringere Kosten als PEEK CF.

Typische Anwendungen: Strukturkomponenten für Kraftstoff- und Hydrauliksysteme, Sensorgehäuse in Hochtemperaturbereichen, Halterungen für den Motorraum, Pumpen- und Ventilkomponenten für aggressive Luftfahrtflüssigkeiten.

ULTEM (PEI): die Referenz für Kabineninterieurs

Polyetherimid (PEI), kommerziell als ULTEM bekannt, ist einer der am häufigsten verwendeten Werkstoffe für kabineninterne Komponenten, die im 3D-Druck hergestellt werden. Seine Verwendung wird durch ein solides Paket an Zertifizierungen und Konformitäten begünstigt, darunter UL94 V-0 für das Brandverhalten, EN 45545 für den Eisenbahnsektor sowie FAR 25.853 und OSU 55/55 für Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Dank dieser Eigenschaften stellt PEI eine Referenzlösung für Paneele, Abdeckungen, Gehäuse und Kanäle für die Passagierkabine dar. Mit einer Dichte von etwa 1,27 g/cm³, einer HDT im Bereich von 190–210 °C und einer hohen Maßstabilität bietet es ein gutes Gleichgewicht zwischen Leichtigkeit, Temperaturbeständigkeit und Zertifizierungen.

Vergleichstabelle der Luft- und Raumfahrtwerkstoffe

Konsultieren Sie die einzelnen Produktseiten, um auf das spezifische technische Datenblatt jedes Werkstoffs zuzugreifen.

Welcher Werkstoff hat das beste Festigkeit-Gewicht-Verhältnis?

Betrachtet man die spezifische Festigkeit, ausgedrückt als Verhältnis zwischen mechanischer Festigkeit und Dichte, erreichen PEEK CF und PPS CF die höchsten Werte unter den analysierten technischen Polymeren, mit einer Dichte, die etwa der Hälfte gegenüber Aluminium 6061-T6 entspricht, und signifikanten mechanischen Leistungen in den verstärkten Qualitäten.

In den 3D-gedruckten Versionen hängt der Vergleich mit strukturellem Aluminium von der Werkstoffqualität und den Prozessbedingungen ab: Die Mindestwerte bleiben niedriger, während die verstärkten Qualitäten sich Aluminium 6061 in Bezug auf die spezifische Festigkeit annähern oder es übertreffen können. Der wahre Wert des Metal Replacement ergibt sich jedoch aus der Kombination von geometrischer Freiheit, Topologieoptimierung, Konsolidierung mehrerer Teile in einem einzigen Bauteil, chemischer Beständigkeit und dem Wegfall der Korrosion.

Für Hochtemperaturanwendungen, bei denen die maximale Leichtigkeit nicht die Hauptanforderung ist, stellen unverstärktes PEEK und PEEK GF ausgewogene Lösungen hinsichtlich Leistung, Temperaturbeständigkeit und Einhaltung der Vorschriften dar.

Metal Replacement: Aluminiumbauteil für die Luft- und Raumfahrt und PEEK-CF-Version

Welcher Werkstoff für welche Luft- und Raumfahrtkomponente

Technische Daten in eine Konstruktionsentscheidung zu übersetzen, ist ein zentraler Schritt in der täglichen Arbeit des Luftfahrtkonstrukteurs. Die folgende Matrix bietet einen Leitfaden zur Werkstoffauswahl je nach den wichtigsten Komponentenfamilien.

• Kabineninterne Komponenten (Paneele, Abdeckungen, Displaygehäuse, Ductwork) → ULTEM 9085 im FDM-Druck. Native Zertifizierungen FAR 25.853, OSU 55/55 und UL94 V-0, geringe Dichte, ausgezeichnete Oberfläche.
• Klima- und Lüftungs-Ductwork → PA11 / PA12 für kalte Zonen, ULTEM für zertifizierbare heiße Zonen, PEEK für kritische Bereiche nahe dem Triebwerk.
• Sekundäre Strukturhalterungen und -stützen → PEEK CF für die maximale spezifische Steifigkeit; PEEK GF, wo eine elektrische Isolierung erforderlich ist; PA12 für unkritische, kostengünstige Anwendungen.
• Satellitenstrukturen (Housings, Optiken, Rahmen für Bordelektronik) → PEEK CF mit Outgassing-Qualifikation ASTM E595. Gewichtsreduzierung gegenüber Aluminium mit Topologieoptimierung.
• Kraftstoff- und Hydrauliksysteme (Anschlüsse, Pumpengehäuse, Ventile) → PPS CF oder PEEK CF. Vorrangige chemische Beständigkeit mit struktureller Tragfähigkeit.
• Steckverbinder und elektrische Isolatoren in heißer Umgebung → PEEK GF (isolierend); PPS CF und PEEK CF vermeiden, da sie elektrisch leitfähig sind.
• Sensorkomponenten unter der Motorhaube/im Triebwerk → PEEK GF oder PEEK CF je nach Leitfähigkeitsanforderung; PPS CF, wenn die Exposition gegenüber aggressiven Flüssigkeiten überwiegt.
• Funktionales Prototyping und Kleinserien → PA12 für Schnelligkeit und Kosten, PEEK CF für repräsentative Funktionstests.
• Metal Replacement von Aluminiumteilen → PEEK CF mit einer für den 3D-Druck optimierten Konstruktion (Topologieoptimierung, Lattice-Struktur).

Der 3D-Druck bei Luft- und Raumfahrtwerkstoffen

Die additive Fertigung hat die Luft- und Raumfahrtbranche in den letzten zehn Jahren verändert. Unternehmen wie Airbus, Boeing und die führenden Raumfahrtagenturen nutzen heute den 3D-Druck zur Herstellung zahlreicher flugtauglicher Komponenten. Die wichtigsten Verfahren sind:

• MJF für PA12 und PA11: Standard für nicht strukturelle Teile, funktionale Prototypen, unkritische Kabineninterieurs;
• industrielles FDM für ULTEM und PEEK (CF, GF, unverstärkt): das Verfahren für zertifizierte Flugteile, von Kanälen bis zu Satellitenrahmen;
• industrielles FDM für PPS CF: Lösung für technische Komponenten, die kombinierte chemische Beständigkeit und thermische Stabilität erfordern.

Die Vorteile der additiven Fertigung im Luft- und Raumfahrtbereich sind mit den traditionellen Technologien schwer zu replizieren: Gewichtsreduzierung durch Topologieoptimierung und interne Gitterstrukturen, Konsolidierung mehrerer Komponenten in einem einzigen Teil, bedarfsgerechte Produktion von Ersatzteilen für operative Flotten und schnelle Iteration während der Entwicklungsphasen.

Referenzzertifizierungen und -vorschriften

Luft- und Raumfahrtwerkstoffe gehören zu den am strengsten regulierten Kategorien überhaupt. Die wichtigsten bei der Auswahl zu berücksichtigenden Vorschriften sind:

• FAR 25.853 (Federal Aviation Regulations): Entflammbarkeit, Rauchentwicklung und Toxizität (FST) für Passagierkabinenkomponenten;
• OSU 55/55: Wärmefreisetzungsprüfung (Heat Release) für Kabineninterieurs, erforderlich zusammen mit FAR 25.853;
• EN 45545: europäische Vorschrift zum Brandschutz (ursprünglich für die Eisenbahn, heute auch eine Referenz in Mobilität und Luft- und Raumfahrt);
• ASTM E595 / ECSS-Q-ST-70-02: Outgassing für Raumfahrtanwendungen;
• AMS (Aerospace Material Specifications): Werkstoffspezifikationen der amerikanischen Luft- und Raumfahrtindustrie;
• AS9100: Qualitätsmanagementsystem der Luft- und Raumfahrt;
• NADCAP: Akkreditierung für Spezialprozesse (Wärmebehandlungen, additive Fertigung, zerstörungsfreie Prüfungen);
• OEM-Zertifizierungen: Airbus, Boeing, Lockheed Martin, ESA und andere Hersteller verfügen über eigene Qualifikationen für Flugwerkstoffe.

Fazit

Die Werkstoffwahl für Luft- und Raumfahrtkomponenten erfordert ein Gleichgewicht zwischen Gewicht, mechanischer Festigkeit, Betriebstemperatur, chemischer Beständigkeit und Einhaltung der Vorschriften. Die Vergleichstabelle und der anwendungsbezogene Leitfaden bieten eine erste Orientierung, doch jedes Projekt weist spezifische Randbedingungen auf (Geometrie, Temperaturzyklus, Betriebsumgebung und Budget), die die endgültige Wahl beeinflussen können.

Superpolymere wie PEEK CF, PEEK GF und PPS CF haben eine neue Generation leichter und hochleistungsfähiger Luft- und Raumfahrtkomponenten ermöglicht. Die additive Fertigung hat ihre Verbreitung weiter beschleunigt und die Art und Weise verändert, wie Konstrukteure und Ingenieure flugtaugliche Komponenten entwickeln.

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Häufig gestellte Fragen zu Luft- und Raumfahrtwerkstoffen