So bleiben Sie mit Innovationen im Bereich der Flugzeugteilkonstruktion der Konkurrenz voraus

In der Luft- und Raumfahrt beginnt der Wettlauf um die Vorherrschaft am Himmel mit intelligenteren Flugzeugteilen. Innovationen im Teiledesign stehen bei den Herstellern im Mittelpunkt. Unternehmen überdenken Form, Gewicht, Funktion und Konstruktion kritischer Komponenten.

Ein verstärkter Fokus auf die Teilekonstruktion kann die Kosten drastisch senken. Etwa 70 bis 80 % der Lebenszykluskosten eines Produkts werden in der Konstruktionsphase bestimmt, was sie zur kostenintensivsten Produktionsphase macht. Ingenieure sparen Gewicht, verwandeln Flügel in modulare Kabinen und entwerfen Flugzeuge der nächsten Generation, die auf Leistung, Effizienz und Nachhaltigkeit ausgelegt sind.

Warum die Teilekonstruktion das neue Innovationsschlachtfeld der Luftfahrt ist

Führende Luftfahrtunternehmen setzen stark auf eine strategischere Teilekonstruktion, um Kosten zu kontrollieren undUnsicherheit in der Lieferkette.

Delta und Airbus haben ihre jahrzehntelange Partnerschaft kürzlich erweitert, um die Innovation bei Teilen und Systemen voranzutreiben. In den UpNext-Laboren von Airbus testen sie alles von fortschrittlichen Flügeldesigns bis hin zu Flugzeugassistenzsystemen mit dem Ziel, die Treibstoffeffizienz und die strukturelle Reaktionsfähigkeit neuer und bestehender Flotten zu verbessern.

Delta ist durch die Teilnahme an Tests und fortlaufende Design-Feedbackschleifen stark in die Entwicklungsprozesse von Airbus eingebunden.

Gleichzeitig arbeitet Delta mit JetZero zusammen, um ein radikal neues Flugzeuggerüst auf den Markt zu bringen. Die neue Struktur ist ein Blended-Wing-Body-Design (BWB), das den Treibstoffverbrauch um bis zu 50 % senken kann. Entscheidend ist, dass diese BWB-Designs moderne Triebwerke verwenden – ein Beweis dafür, dass Verbesserungen nicht immer eine umfassende Überholung des Antriebs erfordern.

Vom Vermächtnis zum Durchbruch: Über das traditionelle Design hinaus

Die meisten Flugzeugkonstruktionen älterer Generationen wurden nicht mit Blick auf die heutigen Treibstoffkosten oder Emissionsziele gebaut. Die Flugzeuge von gestern waren für die Massenproduktion optimiert, doch die Konstruktion der heutigen Flugzeugzellen wird radikal überarbeitet.

Das BWB-Modell von JetZero verzichtet auf den schmalen, röhrenförmigen Rumpf und setzt stattdessen auf einen direkt in die Flügel integrierten Breitrumpfrahmen. Dieses Design nutzt vorhandene Triebwerke und Flughafeninfrastrukturen und sorgt gleichzeitig für mehr Auftrieb, weniger Luftwiderstand und eine gleichmäßige Gewichtsverteilung.

Airbus hat inzwischen das Projekt „eXtra Performance Wing“ gestartet, um neue, formveränderliche Flügel zu erforschen, die sich während des Fluges für maximale aerodynamische Effizienz anpassen lassen. Das Flugverhalten von Vögeln diente als Inspiration für diese neuen Hochleistungsflügel, die so konstruiert sind, dass sie dynamisch auf die Luftströmungsbedingungen reagieren.

In beiden Beispielszenarien sind es nicht neue Materialien oder Antriebssysteme, die zu Durchbrüchen führen, sondern vielmehr neue Überlegungen dazu, was Teile leisten können und sollten.

Additive Fertigung verändert die Teilewelt

Theoretisch ermöglicht die additive Fertigung (AM) Ingenieuren, nahezu alles zu drucken, Abfall zu reduzieren, Werkzeugkosten zu sparen und Iterationen zu beschleunigen. In der Praxis hat Boeing bereits mehr als 70.000 Teile für seine Flugzeuge mithilfe von AM gedruckt. Einige davon fliegen heute mit einem besseren Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als ihre maschinell gefertigten Gegenstücke.

Die Technologie bietet Vorteile, die weit über Gewicht und Kosten hinausgehen. Additive Fertigung ermöglicht funktionsorientiertes Design, beispielsweise komplexe Geometrien wie Gitterstrukturen, Hohlräume und interne Kühlkanäle, die mit herkömmlicher Bearbeitung bislang für unmöglich gehalten wurden. Mit AM sind sie nun möglich. Diese Innovationen führen zu einer verbesserten Wärmedämmung, Schwingungsdämpfung und Lebensdauer, insbesondere in rauen Flugumgebungen.

Ein herausragendes Beispiel hierfür sind die gedruckten Klimakanäle von Boeing. Ingenieure haben die innere Struktur mithilfe des 3D-Drucks neu gestaltet und so die Gesamtzahl der Teile von Dutzenden auf eins reduziert. Der Montageaufwand wurde drastisch reduziert, das Gewicht verringert und die Effizienz des Luftstroms verbessert.

Die weit verbreitete additive Fertigung gibt den Designteams von heute die Freiheit, die Möglichkeiten neu zu überdenken.

Additive trifft Hybrid: Der Aufstieg der Multiprozess-Teilefertigung

Obwohl die additive Fertigung die Schleusen für komplexe Geometrien geöffnet hat, ist sie nicht immer die endgültige Lösung. Hersteller kombinieren zunehmend additive Prozesse mit subtraktiven Techniken wie der CNC-Bearbeitung, um enge Toleranzen, glattere Oberflächen oder strukturelle Verstärkungen zu erreichen.

Dieser hybride Ansatz, manchmal auch als „additiv-subtraktive Fertigung“ bezeichnet, findet Anwendung bei Teilen, die innere Gitterstrukturen zur Gewichtseinsparung benötigen, aber auch bearbeitete Oberflächen für Schraubverbindungen oder die Verbindung mit älteren Komponenten erfordern. Das Modell ermöglicht Flexibilität im DesignUndPräzision in der Passform.

Boeing und andere OEMs investieren bereits in hybride Werkzeugmaschinen, die im selben Setup zwischen Laserabscheidung und Fräsen wechseln. Dadurch erzielen sie geringere Ausschussraten und können Teile, die bisher nicht gebaut werden konnten, schneller iterieren.

Luft- und Raumfahrt-Designteams, die hybride Methoden anwenden, können die Fertigung als Sprungbrett für noch mutigere Ideen nutzen.

Die Rolle der Simulation im Teiledesign der nächsten Generation

Die Entwicklung intelligenterer Teile beginnt in der Modellierungssoftware. Führende Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie setzen verstärkt auf Simulationstools, um Teile vor der Produktion virtuellen Belastungstests zu unterziehen. Diese digitalen Auswertungen, ob thermische Belastung, Strömungsdynamik oder Ermüdung im Laufe der Zeit, geben Ingenieuren mehr Möglichkeiten, frühzeitig Fehler zu beheben, schnell zu iterieren und teure physische Prototyping-Runden zu vermeiden.

Unternehmen wie Boeing und Airbus nutzen bereits Tools wie Siemens NX, Ansys und Dassault Systèmes, um neue Teile zu validieren, Materialermüdung vorherzusagen und die Leistung des gesamten Systems zu modellieren. Für komplexe AM-Teile ist diese Simulation von entscheidender Bedeutung. Das Additive-Engineering-Team von Boeing nutzt die Modellierung, um topologieoptimierte (hocheffiziente, gewichtsreduzierte) Teile zu testen, die mit herkömmlichen Methoden nicht bewertet werden könnten.

Diese Tools sind auch für die Skalierung unerlässlich. Bei zunehmender Komplexität der Teile reduziert die Simulation den Bedarf an mehreren kostspieligen Konstruktionen und physischen Tests. Dadurch können Innovationen schneller und kostengünstiger umgesetzt werden, ohne dass Sicherheits- oder Zertifizierungsstandards beeinträchtigt werden.

Schlank, agil und flugerprobt

Innovatives Teiledesign ist nur dann von Bedeutung, wenn es skalierbar ist. Moderne Designteams kombinieren daher agile Entwicklung, simulationsbasierte Validierung und reale Feedbackschleifen, um die Zyklen sicher zu beschleunigen.

Deltas Zusammenarbeit mit Airbus umfasst Live-Flugtests von „Fello’fly“ – einer Technik, die die V-Formation ziehender Gänse nachahmt. Das führende Flugzeug erzeugt einen Aufwind, den das nachfolgende Flugzeug nutzen kann, um den Luftwiderstand zu verringern und Treibstoff zu sparen. Diese aerodynamische Optimierung wurde durch sorgfältige Systementwicklung und umfangreiche Simulationen vor Beginn der Testflüge ermöglicht.

Mittlerweile wenden Unternehmen wie JetZero Lean-Prinzipien auf den gesamten Flugzeugdesign-Workflow an. Durch die Konzentration auf weniger, multifunktionale Teile und den Baudigitale ZwillingeDurch die frühzeitige Überprüfung ihrer Flugzeuge können sie schneller iterieren und intensiver mit Partnern wie Delta und der US Air Force zusammenarbeiten.

Dieser Ansatz – schnelles Entwerfen, häufiges Testen und frühzeitiges Fail-Forward-Prinzip – wird in fortschrittlichen Luft- und Raumfahrtprogrammen zunehmend zum Standard.

Branchenübergreifende Inspiration: Anleihen aus der Automobil- und Verteidigungsbranche

Die Luft- und Raumfahrtbranche mag zwar neue Maßstäbe im Flugbereich setzen, doch einige ihrer intelligentesten Strategien für die Teilekonstruktion kommen von außerhalb der Branche. Erkenntnisse aus der Automobil- und Verteidigungsbranche, die seit langem Pionierarbeit in den Bereichen Leichtbau, Modularität und fertigungsgerechtes Design leisten, fließen nun auch in die Luftfahrt ein.

So hat beispielsweise der Einsatz generativer Designsoftware in der Automobilindustrie den Weg für Flugzeugteile geebnet, bei denen Materialeffizienz im Vordergrund steht. Die 3D-gedruckte Sicherheitsgurthalterung von GM – ein einzelnes Teil, das acht Komponenten ersetzt – ähnelt konzeptionell der Art und Weise, wie Boeing Dutzende von Kanalteilen zu einem einzigen AM-Teil reduzierte.

Die lange Geschichte modularer Waffen- und Drohnensysteme im Verteidigungssektor hat zu einem Umdenken bei der Innenausstattung von Flugzeugen und den Wartungsprotokollen geführt. Airbus‘ Forschung zu modularen Fracht- und Passagierzonen orientiert sich direkt am Verteidigungsdesign, das eine schnelle Neukonfiguration der Missionen erfordert.

Diese Crossover-Strategien zeigen, dass Innovationen im Teiledesign nicht von Grund auf neu erfunden werden müssen. Manchmal kann man sich einen Vorteil verschaffen, indem man Dinge adaptiert, die sich in anspruchsvollen Umgebungen bereits bewährt haben.

So machen Sie Ihren eigenen Teilekonstruktionsprozess zukunftssicher

Sie müssen nicht Airbus oder Delta sein, um Ihren Ansatz zu modernisieren. Sie müssen lediglich einen integrativen Designansatz verfolgen. Die fortschrittlichsten Luft- und Raumfahrtteams betrachten Design, Tests, Fertigung und Nachhaltigkeit von Anfang an als ein einziges Thema.

Das bedeutet:

Der menschliche Faktor: Wie Betreiber und Instandhalter das Design prägen

Die intelligentesten Teilekonstruktionen in der Luftfahrt sind aerodynamisch, kosteneffizient und benutzerorientiert. Hersteller berücksichtigen bei der Entwicklung von Komponenten zunehmend die Bedürfnisse von Wartungsteams, Piloten und Bedienern – denn selbst das fortschrittlichste Teil versagt, wenn seine Verwendung oder Reparatur unter realen Bedingungen zu schwierig ist.

Die Ingenieure der TechOps-Abteilung von Delta haben eng mit Entwicklungspartnern zusammengearbeitet, um die Anzahl der Befestigungselemente zu reduzieren und die Zugangspunkte zu kritischen Systemen zu vereinfachen. Eine scheinbar kleine Änderung, wie die Neuausrichtung eines Riegels oder das Hinzufügen optischer Anzeigen, kann in einer Flotte jährlich Tausende von Arbeitsstunden einsparen.

Auch Piloten beeinflussen das Design. Die Einführung von Sidestick-Steuerungen und Head-up-Displays bei Airbus beruhte auf Cockpit-Feedback, das die kognitive Belastung verringern und die Reaktionszeit in Stresssituationen verbessern sollte.

Und da Kabinen immer modularer und technisch ausgereifter werden, werden die Mitarbeiter der Fluggesellschaften zunehmend zum Thema Benutzerfreundlichkeit befragt. Deltas Beteiligung an der Innenraumplanung von JetZero diente nicht nur der Ästhetik. Die Mitarbeitereinbindung trug dazu bei, dass die Servicemitarbeiter effizient auf Stauraum zugreifen, Passagiere mit eingeschränkter Mobilität unterstützen und sich sicher im Flugzeug bewegen konnten.

Unternehmen, die ihre Endnutzer einbeziehen, gehen über die theoretische Leistung hinaus und entwickeln für reale Bedingungen. Dieser menschliche Feedback-Kreislauf, der häufig übersehen wird, ist oft der entscheidende Wettbewerbsvorteil.

Design für alternative Antriebe

Die Umstellung auf Wasserstoff, Elektrizität und nachhaltige Flugkraftstoffe (SAF) verändert die Planungsanforderungen der Konstrukteure vom ersten Tag an.

Wasserstoffantriebe beispielsweise erfordern kryogene Lagerung und Hochdruckbehälter. Das verändert alles, vom Schwerpunkt bis hin zu den Stellen, an denen strukturelle Verstärkungen angebracht werden müssen. Das ZEROe-Programm von Airbus, zu dem auch ein wasserstoffbetriebenes Verkehrsflugzeug gehört, hat Innovationen im frühen Phasen des Teiledesigns vorangetrieben – von der Wärmeabschirmung bis hin zu Materialien, die bei intensiven Kühlzyklen nicht brechen.

Elektroflugzeuge bringen verschiedene Kompromisse mit sich. Batterien sind schwer und neigen zur Überhitzung. Daher sind leichtere Teile an anderer Stelle sowie eine intelligentere Luftstromgestaltung unerlässlich. Anforderungen an Wärmemanagement und Redundanz zwingen die Designteams zudem dazu, die traditionelle Platzierung von Motoren, Leitungen und sogar der Kabinenausstattung zu überdenken.

Insgesamt bedeutet die Entwicklung eines umweltfreundlicheren Antriebs eine Neukonstruktion der ihn umgebenden Komponenten, und das beginnt auf der Teileebene.

Das Fazit für wettbewerbsfähige Hersteller

Wenn Sie die Teilekonstruktion immer noch als festen Schritt in einem linearen Prozess betrachten, bietet sich Ihnen eine enorme Chance, Ihren gesamten Produktlebenszyklus zu überdenken, Kosten zu senken, die Entwicklung zu beschleunigen und von Grund auf widerstandsfähigere, zukunftsfähigere Flugzeuge zu bauen.

Boeing entwickelt Teile, die vor fünf Jahren noch nicht existierten. Airbus nutzt fliegende Gänse als Modell für Streckeneffizienz. Und JetZero überdenkt, was ein FlugzeugIst. Dies sind keine Nebenprojekte; sie sind die Hauptaufgabe, die durch eine funktionsübergreifende, Simulation-First-Kultur ermöglicht wird, in der Sicherheit und Nachhaltigkeit an erster Stelle stehen.

Die Zukunft der Luftfahrt liegt im Detail. Alte Methoden scheitern. Neue Designs, optimiert durch intelligente Werkzeuge und hart erarbeitete Erfahrungen, sichern den Wettbewerbsvorteil. So werden Flugzeuge den Test bestehen: schlank, effizient und einsatzbereit.

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Ressourcen:

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