Verbundwerkstoffe vs. Aluminium: Warum moderne Verkehrsflugzeuge leichte Materialien wählen

Um Gewicht zu reduzieren und Effizienz zu steigern, setzt die neueste Generation von Passagierflugzeugen – wie Boeing 787 und Airbus A350 – verstärkt auf Verbundwerkstoffe statt Aluminium. Aluminium ist zwar einfacher zu bearbeiten und deutlich günstiger, wird daher aber ein wichtiges Luftfahrtmaterial bleiben, besonders in weniger gewichts- und ermüdungskritischen Anwendungen.

Zwei Bereiche, die langfristig auf Aluminium setzen: Avionik-Gehäuse und Innenraumkomponenten. Diese werden meist gegossen, gefolgt von begrenzter Zerspanung von Montageflächen und Bohrungen. Ein genauerer Blick auf die Gussverfahren und ihre Vorteile.

Materialien für Gewichtsreduktion

Masse ist das Top-Thema in Luftfahrt-Design und -Fertigung. Je leichter die Struktur, desto kleiner die Triebwerke, desto höher die Effizienz, desto größer die Nutzlast. Masse wird minimiert durch Werkstoffe mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis – auch spezifische Festigkeit oder Festigkeit pro Pfund genannt.

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist sowohl fest als auch leicht – Einsatz in Flugzeugstrukturen steigt. Doch er ist teuer in Herstellung und Verarbeitung, was Raum für andere Materialien wie Aluminium lässt.

Titan bietet ebenfalls hohes spezifisches Festigkeitsverhältnis. Wiederum: teuer und schwierig zu gießen und zu zerspanen.

Magnesium und Aluminium haben ähnliche Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse, aber Aluminium ist korrosionsbeständiger und birgt nicht die Brandrisiken von Magnesium. Es wird in breitem Legierungsspektrum produziert, klassifiziert in sieben Serien. Die 7xxx-Serie wird oft als „Luftfahrt-Aluminium“ bezeichnet, obwohl je nach Anwendungsbedarf auch andere Legierungen genutzt werden.

Ein weiterer Vorteil von Aluminium: Eloxierbarkeit. Verfahren zur Erhöhung der Oberflächenoxidation für höhere Härte und attraktive Optik – ohne Beschichtungsauftrag.

Gussverfahren für Aluminium-Luftfahrtkomponenten

Massenminimierung erfordert ein Gussverfahren, das dünne Wandstärken und feine Details ermöglicht. Sandguss scheidet damit aus, übrig bleiben:

• Feinguss (Investment Casting)
• Schalenformguss (Shell Molding)
• Kokillenguss (Permanent Mold Casting)

Hier die relevanten Charakteristika jedes Verfahrens:

Feinguss (Investment Casting)

Ein Verfahrens mit verlorener Form, bei der eine keramische Form „Schale“ über ein Wachsmodell gebaut wird. Feinguss eignet sich für Teile bis 30 lbs und kann komplexe Formen mit dünnen Wänden und Hinterschneidungen bei engen Toleranzen und glatten Oberflächen fertigen. Die Prozesskomplexität zahlt sich aus, wenn sowohl Zerspanung als auch Masse minimiert werden müssen.

Schalenformguss (Shell Molding)

Ein Modell wird mit einer Sandharz-Außenschale beschichtet. Die Form besteht meist aus zwei Hälften, die zur Formhöhle zusammengefügt werden. Nach Erstarren des Metalls wird die Form gebrochen. Schalenformguss ermöglicht größere Teile als Feinguss, ist aber in Detailgrad und Komplexität limitiert. Oberflächenqualität nicht so gut wie Feinguss.

Kokillenguss (Permanent Mold Casting)

Metallische Dauerformen (Kokillen) formen die Teile, Flüssigmetall fließt unter Schwerkraft ein. Kurze Zykluszeiten möglich, rasche Abkühlung erhöht Bauteilfestigkeit, aber Werkzeugkosten sind hoch. Zusammen macht dies Kokillenguss zum Großserienverfahren. Zudem nicht fähig für die Feindetails, die Feinguss erreicht.

Aluminiumguss für die Luftfahrt

Aluminium bietet optimale Balance aus Masse, Bauteilkomplexität und Kosten für Avionik-Gehäuse und Innenraumkomponenten wie Halter und Sitzausstattungen. Güten wie die 7xxx-Serie bieten hohe Festigkeit bei guter Zerspanbarkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Diese Teile – und andere wie Hydraulikpumpengehäuse – lassen sich gut durch Gießen fertigen, was Gewichtsreduktionsziele unterstützt bei minimierter Zerspanung. Feinguss erreicht höchste Genauigkeit und Komplexität, Schalenform- und Kokillenguss sind Alternativen – abhängig von Bauteilgeometrie und benötigten Stückzahlen.

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