Um die Zero-Emission-Strategie zu erreichen, müssen Flugzeuge leichter werden. Bionisch optimierte Bauteile aus Leichtbaumaterialien eröffnen neue Möglichkeiten zur Gewichtsreduktion. An der Joanneum Research treiben Forschende aus der Steiermark und Kärnten die Fertigung von Ultra-Leichtbau-Freiformteilen und zugleich neue Methoden zur Zustandsüberwachung dieser Bauteile durch Sensorik voran, teilte die Forschungsgesellschaft am Donnerstag mit.

Wenn es um Gewichtsoptimierung und Sicherung der Stabilität geht, kann die Bionik - also die Übertragung von biologischen Vorbildern in die Technik - einiges beitragen. Wabenstrukturen sorgen etwa für mehr Stabilität im Wespennest. Und die Erkenntnisse der biologischen Grundlagenforschung zum Knochenbau sind beispielsweise schon bei der rippenartigen Konstruktion des Pariser Eiffelturms eingeflossen. Heute beschäftigen sich Forschende weltweit damit, wie sich die Bionik in der Flugzeugentwicklung einsetzen lässt, um diese leichter, strömungsgünstig und stabil zu halten.

3D-Druck hilft aus

Allerdings sind die dafür benötigten Freiformgeometrien mit traditionellen Fertigungsmethoden schwer bis kaum herstellbar. Hier kommt die additive Fertigung, wie 3D-Druck, ins Spiel - und die Experten von Joanneum Research Materials: "Unser Projektpartner Prime Aerostructures konstruiert und simuliert gewichtsoptimierte Flugzeugbauteile. Unsere Spezialisten am Standort Niklasdorf entwickeln ein 3D-Druck-Fertigungsverfahren mit Titan und alphacam austria liefert dazu Teile aus einem Hochleistungskunststoff, die ebenfalls 3D-gedruckt sind", so Andreas Rudorfer, Projektleiter bei Joanneum Research Materials.

Bei dieser Produktionsform gibt es jedoch eine höhere Fehlerdichte - wie zum Beispiel das Auftreten von Poren, Einschlüssen oder Bindefehlern zwischen den Lagen. "Ein zentrales Problem dieser innovativen Produktionsweise ist die Qualitätskontrolle", brachte Rudorfer die Herausforderung auf den Punkt.

Das Projekt "3d-strain-sense" setzt hier an: Sensoren sollen direkt auf Freiformflächen gedruckt werden, um Belastungen kontinuierlich zu überwachen und den Wartungsaufwand zu reduzieren. Die Sensoren checken sozusagen kontinuierlich den Zustand des Bauteils und informieren über seinen aktuellen Zustand. Dadurch könnte sich künftig auch das Service-Intervall verlängern, denn aktuell werden Bauteile aus Sicherheitsgründen nach Ablauf einer bestimmten Zeit automatisch ausgetauscht.

Schwer bedruckbar

Die ungewöhnlichen Geometrien der Leichtbauteile sind allerdings schwer zu bedrucken. Joanneum Research Robotic in Klagenfurt arbeitet wiederum daran, die Sensoren dreidimensional mit einem Roboter zu drucken. Speziell beschäftigt man sich mit Zusatztankhalterungen in Kleinflugzeugen. Erste Versuche würden vielversprechende Ansätze zeigen, teilte die Projektgruppe mit.

Langfristig sollen die Entwicklungen den Weg für die Integration additiv gefertigter Bauteile in die Primärstruktur von Flugzeugen ebnen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie gefördert. Das Projekt läuft bis Ende März 2026.