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Die Luft- und Raumfahrtbranche befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel. Unternehmen stehen vor der Herausforderung, Entwicklungszyklen drastisch zu verkürzen, nachhaltigere Technologien zu entwickeln und gleichzeitig Kosten zu senken. Zudem erfordern Fortschritte in der Satellitentechnologie neue Fertigungsansätze, um kleinere, leichtere und leistungsfähigere Systeme zu entwickeln. Während staatliche Raumfahrtprogramme nach wie vor eine tragende Rolle spielen, treiben private Akteure wie SpaceX, Blue Origin und Rocket Lab die Kommerzialisierung der Raumfahrt voran und setzen neue Maßstäbe für Effizienz und Wirtschaftlichkeit – der Wettbewerb war noch nie so groß.
Parallel dazu erfordert der Klimawandel innovative Lösungen in der Luftfahrt. Die Einführung alternativer Antriebe, der Einsatz nachhaltiger Werkstoffe und der Wunsch nach emissionsfreien Flugzeugen erhöhen den Druck auf die Branche. Es ist absehbar, dass nationale und internationale Regularien den Schadstoffausstoß künftig stärker bepreisen und strengere Vorgaben für nachhaltiges Fliegen durchsetzen werden.
Hier kommt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ins Spiel, denn hochmoderne Lasertechnologie kann viele dieser Herausforderungen adressieren: Laserbasierte Fertigungs- und Messtechnologien ermöglichen die schnelle, flexible und ressourcenschonende Herstellung komplexer Bauteile sowie von leichteren und leistungsfähigeren Komponenten. Mit Verfahren wie dem Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Laser Material Deposition (LMD) können hochleistungsfähige Bauteile für Flugzeuge, Trägersysteme und Satelliten effizient produziert oder repariert werden.
Additive Fertigung für die Luft- und Raumfahrt
Das am Fraunhofer ILT entwickelte LPBF-Basispatent für den metallischen 3D-Druck bildet die Grundlage für den heutigen Prototypenbau und die Produktion funktionsoptimierter Bauteile in Luft- und Raumfahrt. Damit lassen sich Entwicklungszyklen drastisch verkürzen: Der Weg vom CAD-Modell zum Prototyp benötigt nur noch wenige Tage, was früher mehrere Monate dauerte – bei gleichzeitiger Kostenreduzierung. Die Konstrukteure haben mehr Designfreiheit und können unterschiedliche Varianten parallel testen.
»Überall dort, wo maßgeschneiderte, hochkomplexe Bauteile benötigt werden, kann die Additive Fertigung ihre Vorteile in puncto Flexibilität voll ausschöpfen«, erklärt Dr. Tim Lantzsch, Abteilungsleiter Laser Powder Bed Fusion am Fraunhofer ILT. »In der Luft- und Raumfahrt bietet die Additive Fertigung enorme Möglichkeiten, Bauteile zu optimieren und gleichzeitig Gewicht und Materialeinsatz zu reduzieren.«
Ein gutes Beispiel für die Anwendung der Additiven Fertigung (AM) am Fraunhofer ILT ist die Entwicklung von LPBF für Kupfermaterialien. Kupfer ist aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ideal für Bauteile, die extremen thermischen Belastungen standhalten müssen, wie beispielsweise Brennkammern in Raketentriebwerken.
Das LPBF-Team am Fraunhofer ILT hat die Prozessgrenzen für Kupferlegierungen erweitert, indem es gezielt grüne Laserstrahlung zur Verarbeitung von GRCop42 (CuCrNb) einsetzt. Dies ermöglicht die Herstellung von hochdichten, dünnwandigen Strukturen mit optimiertem Wärmemanagement – ein entscheidender Vorteil für Anwendungen in der Raumfahrt, die von langlebigeren Bauteilen mit höherer Effizienz und reduzierten Fertigungskosten profitieren.
LMD ist ein weiteres etabliertes AM-Verfahren, um Bauteile mit hoher Präzision und optimalen Materialeigenschaften zu fertigen. Im Projekt ENLIGHTEN (European iNitiative for Low cost, Innovative & Green High Thrust ENgine) ermöglicht es die hochproduktive Herstellung von Komponenten mit optimierter Topologie, reduziertem Gewicht und höchster Belastbarkeit. »Das Besondere ist, dass wir durch die vielfältigen Möglichkeiten der LMD-Technologie die Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung neuartiger Generationen von Raketendüsen drastisch verbessern. Das untersuchte Design verfügt abgesehen von seinem großen Bauraum über außergewöhnlich filigrane und dünnwandige Kühlkanäle, die mit konventionellen Fertigungsrouten nur unter großem Aufwand realisiert werden können«, erläutert Dr. Thomas Schopphoven, Abteilungsleiter Laserauftragschweißen am Fraunhofer ILT.
Ein weiterer Fokus liegt auf der Herstellung von Strukturbauteilen für Flugzeuge mit hoher Festigkeit und gleichzeitig reduziertem Gewicht. LPBF ermöglicht die Fertigung von Leichtbaukomponenten, die die Effizienz moderner Flugzeuge steigern. Darüber hinaus trägt AM zur effizienten Reparatur und Instandhaltung von Luft- und Raumfahrtkomponenten bei. Mit LMD können beschädigte Bauteile gezielt erneuert werden – ein wichtiger Schritt in Richtung schlanke Lieferketten, Nachhaltigkeit und Kostenreduktion.
Leichtbau und Hybridmaterialien: Neue Fügetechnologien für stabile, leichte Bauteile
Geringerer Treibstoffverbrauch, weniger Emissionen und erhöhte Nutzlasten – die Entwicklung leichter und stabiler Strukturen ist ein zentraler Aspekt für effizientere Flugzeuge und Raumfahrtsysteme. Hybridmaterialien, die Kunststoffe und Metalle kombinieren, bieten eine vielversprechende Lösung. Damit diese Werkstoffe zuverlässig verbunden werden können, hat das Fraunhofer ILT Fügetechnologien entwickelt, die eine mechanisch belastbare und langzeitstabile Verbindung ermöglichen, beispielsweise die Laserstrukturierung für Kunststoff-Metall-Hybridbauteile. Bei diesem Verfahren wird die Metalloberfläche zunächst mit einem Laser strukturiert, um Mikroporen zu erzeugen. Diese werden anschließend mit Kunststoff gefüllt, wodurch eine besonders starke und widerstandsfähige Verbindung entsteht.
»Durch die präzise Laserstrukturierung können wir die Haftung zwischen Metall und Kunststoff erheblich verbessern und damit Hybridbauteile entwickeln, die sowohl leichter als auch mechanisch robuster sind«, erklärt Dr. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und Trennen am Fraunhofer ILT. So lassen sich Metall-Kunststoff-Verbindungen herstellen, die die nötige strukturelle Festigkeit besitzen für die Anwendung in Tragflächen, Rumpfstrukturen und Triebwerkskomponenten.
Auch Laserdurchstrahlschweißen für Faserverbundwerkstoffe ist eine wichtige Innovation für den modernen Leichtbau. Hierbei absorbiert die Fügezone den Laserstrahl, wodurch sich hitzebeständige Kunststoffbauteile sicher mit Faserverbundwerkstoffen verbinden lassen. Die Methode verbessert die mechanische Belastbarkeit und Lebensdauer dieser Materialien und senkt gleichzeitig ihre Herstellungskosten. »Die Vorteile, Hybridmaterialien mit Lasertechnologie zu bearbeiten, sind: Gewichtsersparnis, höhere Festigkeit und Langlebigkeit der Verbindungen, Kosteneinsparungen durch wartungsarme Fügeverfahren und laserbasierte Reparaturtechniken«, fasst Olowinsky zusammen.
Zusätzlich erforscht das Laserinstitut LMD mit Aluminiumlegierungen. »Da Aluminium eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, ist das Schweißen traditionell eine Herausforderung«, weiß Thomas Schopphoven. »Das angepasste LMD-Verfahren ermöglicht hochfeste, präzise Schweißnähte, die das Material nicht unnötig belasten. Diese Technik eignet sich insbesondere bei gewichtssparenden Strukturelementen für Flugzeuge und Raumfahrzeuge.« Mit diesen Entwicklungen trägt das Fraunhofer ILT dazu bei, die Luft- und Raumfahrtindustrie effizienter, nachhaltiger und wirtschaftlicher zu gestalten.
Lasertechnologie für die Satelliten- und Atmosphärenforschung
Die präzise Erfassung atmosphärischer Daten und die Weiterentwicklung satellitengestützter Technologien sind essenziell für moderne Kommunikationssysteme, Klimaforschung und die Erdbeobachtung. Lasersysteme bieten gegenüber konventionellen Verfahren erhebliche Vorteile: Sie ermöglichen hochauflösende, selektive Messungen spezifischer Moleküle, die präzise Bestimmung von Luftströmungen sowie eine abhörsichere Datenübertragung in der Quantenkommunikation. In mehreren Projekten entwickelt das Fraunhofer ILT maßgeschneiderte Lasersysteme für den Einsatz in Satelliten und bodengestützten Anlagen, um diesen Herausforderungen gerecht zu werden.
LIDAR (Light Detection and Ranging)-Technologien haben sich mittlerweile als Werkzeug zur Untersuchung atmosphärischer Prozesse bewährt. In Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) hat das Fraunhofer ILT in den letzten Jahren leistungsstarke LIDAR-Systeme für Messkampagnen zur Klimaforschung entwickelt. Hierbei kommen hochenergetische UV-Laser zum Einsatz, die tageslichtfähige Messungen von Aerosol- und Spurengasverteilungen ermöglichen. Neben bodengestützten Systemen erforscht das Fraunhofer ILT flugzeug- und satellitengestützte LIDAR-Technologien, die für zukünftige Erdbeobachtungssatelliten relevant sind. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung kompakter, leistungsfähiger Lasersysteme mit hoher Strahlqualität, minimalem Energieverbrauch und hoher Zuverlässigkeit.
Ein herausragendes Beispiel ist die MERLIN-Mission (Methane Remote Sensing LIDAR Mission), eine deutsch-französische Kooperation zur globalen Überwachung von Methanemissionen. Methan ist als Treibhausgas etwa 25-mal klimaschädlicher als CO₂ und hat einen bedeutenden Einfluss auf den Klimawandel. »Das Fraunhofer ILT entwickelte für die MERLIN Mission gemeinsam mit Airbus Defence and Space einen hochstabilen Transmitter für ein LIDAR System, das Methan in der Erdatmosphäre detektieren kann«, erklärt Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, Abteilungsleiter Laser und Optische Systeme am Fraunhofer ILT. »Dieses System ermöglicht es, erstmals mit hoher räumlicher Auflösung Methanemissionen aus natürlichen und menschengemachten Quellen zu kartieren.«
Ein herausragendes Beispiel ist die MERLIN-Mission (Methane Remote Sensing LIDAR Mission), eine deutsch-französische Kooperation zur globalen Überwachung von Methanemissionen. Methan ist als Treibhausgas etwa 25-mal klimaschädlicher als CO₂ und hat einen bedeutenden Einfluss auf den Klimawandel. »Das Fraunhofer ILT entwickelt und baut für die MERLIN Mission gemeinsam mit der Airbus Defence and Space GmbH in Ottobrunn bei München einen hochstabilen Transmitter für ein LIDAR-System, das Methan in der Erdatmosphäre detektieren kann«, erklärt Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, Abteilungsleiter Laser und Optische Systeme am Fraunhofer ILT. »Dieses System ermöglicht es, erstmals mit hoher Präzision die globale Verteilung der Methankonzentration in der unteren Erdatmosphäre und deren natürliche und menschengemachte Quellen zu messen.«
Ein weiteres Forschungsgebiet der Gruppe nichtlineare Optiken und abstimmbare Laser unter der Leitung von Dr. Bernd Jungbluth sind Komponenten und Baugruppen für die Quantenkommunikation. Dazu gehören Quellen für verschränkte Photonen, die sich für den Einsatz im Weltall eignen. Für deren satellitentaugliche Umsetzung hat das Fraunhofer ILT die opto-mechanische Plattform ILT OPTOMECH entwickelt.
Innovationen für die nächste Generation der Luft- und Raumfahrt
Korrosion und Materialermüdung sind generelle Herausforderungen in der Luft- und Raumfahrt, da Bauteile extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen, Vibrationen und harschen Umgebungen standhalten müssen. Das Fraunhofer ILT entwickelt laserbasierte Beschichtungstechnologien, die den Verschleiß von Bauteilen reduzieren und ihre Lebensdauer verlängern. Hierzu zählen insbesondere das LMD-Verfahren, wie auch Dünnschichttechnologien. Besonders im Fokus stehen thermische Barrieren für Triebwerke sowie hochfeste Schutzschichten für Flugzeug- und Satellitenkomponenten.
Durch gezielte Laserbehandlung wie LMD-Beschichtung und Wärmebehandlung können Materialeigenschaften angepasst werden, um eine höhere Beständigkeit gegenüber Korrosion und mechanischem Verschleiß zu gewährleisten. Dies trägt nicht nur zur Erhöhung der Sicherheit bei, sondern senkt auch die Wartungskosten und verlängert die Einsatzdauer kritischer Systeme.
Ein anderer Ansatz für die Weiterentwicklung von Werkstoffen und sparsamen Konzepten in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist die weitere Digitalisierung und ein verstärkter Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI). Dazu gehören die automatisierte Fehlererkennung in der Fertigung, die Optimierung laserbasierter Fügetechniken für neue Materialklassen und die Integration von KI in die Prozessüberwachung.
Mit seinem interdisziplinären Forschungsansatz ist das Fraunhofer ILT als größtes europäisches Forschungszentrum im Bereich Lasertechnik ein zentraler Akteur für Innovationen in der Luft- und Raumfahrt. Die Entwicklungen des Instituts tragen dazu bei, effizientere, nachhaltigere und leistungsfähigere Systeme für die Zukunft zu realisieren.
Die Luft- und Raumfahrt gehört zu den Profiteuren der aktuellen Entwicklung im metallischen 3D-Druck ...
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Das Prozess-Prinzip der LMD-Technologie ist auf fast jede Anlagen-Kinematik übertragbar. Damit lasse ...
© Fraunhofer ILT, Aachen / Ralf Baumgarten.
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
Materials sciences, Physics / astronomy, Traffic / transport
transregional, national
Transfer of Science or Research
German
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