Acht gängige Kunststoffe für die Luft- und Raumfahrt und ihre Anwendungen

Kunststoffe für die Luft- und Raumfahrt 

Gewichtsreduzierung ist eine zentrale Herausforderung bei der Konstruktion und Materialauswahl von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt. Die Verwendung von hochfesten Metallen und Legierungen kann hinsichtlich Produktion und Treibstoffverbrauch teurer sein, es sei denn, diese sind für Funktionalität und Leistung unbedingt erforderlich. 

Hersteller entscheiden sich für technische Kunststoffe Die Herstellung vielfältiger Luft- und Raumfahrtkomponenten, sei es für Passagierflugzeuge oder Militärflugzeuge. In den folgenden Abschnitten werden acht gängige Kunststoffe für die Luft- und Raumfahrt, ihre Anwendungen und die Herstellungsverfahren für Kunststoffkomponenten für die Luft- und Raumfahrt näher erläutert.

Fangen wir an. 

1. Polycarbonat (PC)

Polycarbonat in Luft- und Raumfahrtqualität 

Polycarbonat ist ein robuster, leichter und langlebiger thermoplastischer Kunststoff, der aufgrund seiner hohen Dimensions- und Wärmebeständigkeit zur Herstellung verschiedener Flugzeugbauteile verwendet wird. Hersteller entscheiden sich häufig für Polycarbonat als Ersatz für Glas oder Acrylglas in Flugzeugen. 

Darüber hinaus ist Polycarbonat ein schlagfester Kunststoff, das eine Sichtbarkeit von bis zu 90 % bietet und mit engen Toleranzen bearbeitet und für optische Klarheit poliert werden kann. 

Anwendungen von Polycarbonat in der Luft- und Raumfahrt

Windows

Polycarbonat (PC) wird aufgrund seiner hohen optischen Klarheit und Belastbarkeit zur Herstellung von Fenstern in Flugzeugen verwendet. 

Schilde & Schutz

Hohe Schlagfestigkeit und gute Sichtbarkeit machen Polycarbonat zu einem guten Material für Sicherheitsvisiere, Helme, Gesichtsschilde und andere Schutzvorrichtungen. 

Cockpit-Instrumente

Flammwidrigkeit, Transparenz, Schlagfestigkeit und Dimensionsstabilität von Polycarbonat-Kunststoffen sind vorteilhaft für Cockpitinstrumente. Beispiele hierfür sind Displayabdeckungen, HUD-Kombinationsfelder, Schalterabdeckungen und Avionikgehäuse.

Leuchten

Innen- und Außenbeleuchtungskörper, wie z. B. LED-Lichtleiter, Kuppelleuchtenabdeckungen, kantenbeleuchtete Paneele und Lichtdiffusoren.

2. Polyetheretherketon (PEEK)

PEEK Luft- und Raumfahrtteile

Polyetheretherketon oder PEEK, ist ein weiterer Hochleistungskunststoff, der zur Herstellung verschiedener Kunststoffkomponenten für die Luft- und Raumfahrt verwendet wird, von Struktur- und Triebwerksteilen bis hin zu elektrischen Steckverbindern. PEEK bietet hohe Steifigkeit, Zugfestigkeit, Kriechfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit, geringe Toxizität und Leistungsfähigkeit bei erhöhten Temperaturen (bis zu 250 °C). Darüber hinaus sind PEEK-Typen flammhemmende Polymere, die für den Innenausbau von Flugzeugzellen zertifiziert sind. 

Anwendungen von PEEK in der Luft- und Raumfahrt

Motor- und Wärmezonenkomponenten

Die hohe Zugfestigkeit, der hohe Biegemodul, die Steifigkeit und die thermische Stabilität von PEEK sind vorteilhaft für Flugzeugtriebwerke und Bauteile in wärmeintensiven Bereichen, z. B. Kompressordichtungen, Ventilsitze, Anlaufscheiben und Buchsen. 

Strukturelle Anwendungen

Das geringe Gewicht und die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von PEEK machen es vorteilhaft für Flugzeugstrukturbauteile wie Präzisionsbefestigungen, Versteifungen, Klammern, Sitzarme und Führungshalterungen. 

Hochleistungsverbundwerkstoffe

Die Luft- und Raumfahrtindustrie nutzt verschiedene Hochleistungsverbundwerkstoffe zur Verbesserung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften. So wird PEEK beispielsweise zur Herstellung von CF-PEEK, GFRP und Quarzfaserverbundwerkstoffen verwendet. 

3. Polyetherimid (PEI)

PEI-Kunststoff

Polyetherimid oder PEI-KunststoffEs handelt sich um ein amorphes Polymer mit ausgezeichneter Kriechfestigkeit, Flexibilität, geringem Gewicht, Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit in Formen. Folglich ist die Güteklasse UL 94 V-0 gehört zu den flammhemmenden Polymeren, die für Flugzeuginnenausstattungen zertifiziert sind. 

Diese kombinierten Eigenschaften machen PEI zu einer guten thermoplastischen Option in der Luft- und Raumfahrtkomponentenfertigung.

Anwendungen von PEI in der Luft- und Raumfahrt

Innenstrukturen

Leichte, schwer entflammbare und robuste Flugzeuginnenausstattungskomponenten wie Wandverkleidungen, Sanitäreinrichtungen und Kabinenbeschläge.

Luftkanalsystem

Thermisch stabile Bauteile von Luftkanalsystemen, wie z. B. Kanäle, Lüftungsgehäuse und Luftstromführungen. 

4. Polypropylen (PP)

Polypropylenplatten 

Polypropylen (PP) ist ein weiterer Kunststoff aus der Luft- und Raumfahrt, der eher für Innenausstattung, Verpackungen und Lagerung als für Strukturbauteile verwendet wird. Er bietet hohe Dauerfestigkeit, Flexibilität, Chemikalienbeständigkeit und geringe Wasseraufnahme.

Folglich lassen sich die Polypropylen-Komponenten problemlos mittels CNC-Bearbeitung, Spritzguss und anderen Verfahren herstellen.

Anwendungen von PP in der Luft- und Raumfahrt

Flugzeuginnenraum

Verschiedene Innenausstattungskomponenten, wie z. B. Kabinenverkleidungen, Armlehnen, Sitzteile, Seitenverkleidungen, Blenden und Klapptische. 

Schutzartikel

Es bezeichnet eine Schutzabdeckung und ein Gehäuse für verschiedene Instrumente oder Komponenten, wie z. B. elektrische Anschlusskästen, Steckerabdeckungen und Batteriegehäuse. 

Nichtstrukturelle Bauteile

Polypropylen wird auch dann bevorzugt, wenn Festigkeit nicht die wichtigste Anforderung ist, wie beispielsweise bei Clips, Klemmen, Anschlusskappen und Zugangsdeckeln.

5. Polytetrafluorethylen (PTFE)

PTFE-Halterung für die Luft- und Raumfahrt

Polytetrafluorethylen (PTFE) wird auch als Teflon® bezeichnet. Es handelt sich um einen Hochleistungskunststoff, der in einem breiten Temperaturbereich, typischerweise von –200 bis 260 °C, eingesetzt werden kann. 

Darüber hinaus ist PTFE auch für seinen niedrigen Reibungskoeffizienten, seine chemische Beständigkeit, seine geringe Ausgasung, seine hohe Dimensionsstabilität und seine elektrische Isolationsfähigkeit bekannt. 

Anwendungen von PTFE in der Luft- und Raumfahrt

Elektrische Isolierung

PTFE wird für verschiedene elektrische Isolationsteile verwendet, darunter Isolatoren für Drähte, Kabel, Steckverbinder und Kabelbäume.

Flüssigkeitsauskleidungssysteme

Dichtungen, Dichtungsringe, Buchsen und Auskleidungen für Kraftstoffsysteme, Hydraulikkreisläufe usw.

Rotierende/reibungsarme Teile

Aufgrund seiner reibungsarmen und selbstschmierenden Eigenschaften ist PTFE der beste Kunststoff für die Luft- und Raumfahrtindustrie, insbesondere für rotierende/bewegliche Bauteile wie Aktuatorbuchsen, Gleitlager, Unterlegscheiben und Distanzstücke.

6. Polyethylen (PE)

HMW-PE

Polyethylen (PE) ist ein leichter Kunststoff für die Luft- und Raumfahrt, der eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit, Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit, geringe Ausgasung und elektrische Isolation bietet. In der Luft- und Raumfahrt ist hochmolekulares Polyethylen (HMW-PE) aufgrund seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses für Flugzeuganwendungen weit verbreitet. Dadurch kann das Gewicht reduziert und der Treibstoffverbrauch gesenkt werden.

Anwendungen von PE in der Luft- und Raumfahrt

Elektrische Isolierung

Isolierung für Drähte und Kabel in elektrischen Systemen von Flugzeugen zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit. 

Rohrleitungssysteme in Flugzeugen

Rohre und Leitungen für Hydrauliksysteme, Kraftstoffleitungen, elektrische Leitungen und Kühlsysteme.

Schutzkomponenten

Aufgrund seiner Festigkeit und Stoßdämpfungseigenschaften ist PE ein guter Kunststoff für die Schutzgehäuse verschiedener Instrumente in Flugzeugen.

Verpackungs- 

PE ist ein gutes Verpackungsmaterial für den Transport von Bauteilen der Luft- und Raumfahrtindustrie, um Beschädigungen oder Kratzer zu vermeiden. 

7. Polyamidimid (PAI)

PAI-Kunststoff 

Polyamidimid, oder PAI-Kunststoff, ist ein starker und hitzebeständiger KunststoffEs wird häufig zusammen mit Glas- und Kohlenstofffaserfüllstoffen verwendet, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass PAI seine Festigkeit bis zu 250 °C beibehält.

Folglich eignet sich PAI-Kunststoff für die Luft- und Raumfahrt für Umgebungen mit hoher Beanspruchung, Korrosion und thermischer Instabilität. 

Anwendungen von PAI in der Luft- und Raumfahrt

Tragende Bauteile

Präzise lasttragende und strukturelle Teile, wie z. B. Stützscheiben, Befestigungselemente, Distanzstücke und Verbindungselemente.

Elektrische Isolatoren

Verschiedene elektrische Isolatoren und Träger für elektronische Bauteile, einschließlich Steckergehäuse, Ummantelungen für Avionikleitungen und Trägerrahmen für Elektronik. 

Schnittstellen zur Fluidsteuerung

Dichtungen und Kontaktflächen für Fluidsteuerungssysteme, wie z. B. Wetterdichtungen für Hydraulik, Kraftstoffkomponenten und Ventilteile. 

Temperaturempfindliche Teile

Dank des breiten Spektrums zulässiger Betriebstemperaturen ist PAI eines der besten Werkstoffe für Ventilsitze, Klammern und Befestigungselemente, Wärmeisolatoren usw. in Kraftstoffsystemen.

8. Thermoplastische Verbundwerkstoffe

Thermoplastischer Verbund

In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden verschiedene Verbundwerkstoffe für Hochleistungsbauteile eingesetzt. Diese Verbundwerkstoffe entstehen durch die Verstärkung von Thermoplasten mit Füllstoffen. Beispiele hierfür sind PEEK, PPS und PCTFE. 

Kohlenstofffasern, glasfaserverstärkte Fasern und Aramidfasern sind die gängigen Füllstoffe, die mit Thermoplasten verstärkt werden.

Aus diesem Grund entscheiden sich Luft- und Raumfahrthersteller für Verbundwerkstoffe aus Thermoplasten, um im Luft- und Raumfahrtbereich flexibler designen zu können. Im Folgenden werden die Gründe für die Bevorzugung von Verbundwerkstoffen gegenüber herkömmlichen Thermoplasten erläutert.

• Die gleiche oder sogar eine höhere Festigkeit kann bei reduziertem Gewicht erreicht werden.
• Sie bieten eine bessere Beständigkeit gegenüber Korrosion, Chemikalien und Feuchtigkeit. 
• Verbundwerkstoffe sind zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Kunststoffe.
• Sie sind leicht zu reparieren und können nach Abschluss ihres Lebenszyklus recycelt werden. 

Fertigungsprozesse für Kunststoffteile für die Luft- und Raumfahrt

CNC-Bearbeitung, Spritzgießen, Vakuumformen und Doppelblechformen sind die vier wichtigsten Techniken zur Herstellung von Kunststoffteilen für die Luft- und Raumfahrt.

Lassen Sie uns jeden einzelnen Punkt kurz erläutern. 

CNC Dienstleister

Die spanende Bearbeitung ist ein Verfahren, bei dem Material von Kunststoff oder anderen Werkstücken abgetragen wird, bis die gewünschte Form erreicht ist. CNC-Fräsen, Drehen, Bohren, Gewindeschneiden und andere Präzisionsbearbeitungsverfahren werden zur Herstellung von Prototypen und Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Die CNC-Bearbeitung ermöglicht enge Toleranzen, glatte Oberflächen und komplexe Strukturen bei kurzen Lieferzeiten. Materialverschwendung und längere Vorlaufzeiten in der Massenproduktion stellen hingegen zwei wesentliche Einschränkungen dar.  

Spritzguss

Spritzgießen eignet sich ideal für die Großserienfertigung von Luft- und Raumfahrtteilen mit hoher Wiederholgenauigkeit und kürzeren Produktionszyklen. Dabei wird der geschmolzene Kunststoff unter hohem Druck in eine Form eingespritzt, wo er fließt und die Geometrie des Formhohlraums präzise erfasst. 

Sobald Sie in Spritzgusswerkzeuge investiert haben, können bis zu eine Million Zyklen für identische Teile durchgeführt werden. Beispiele für spritzgegossene Kunststoffteile, die in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, sind Steckverbinder, Innenausstattungen und Schnappdeckel. 

Vakuumformen

Beim Vakuumformen wird eine heiße Kunststofffolie über ein Formwerkzeug gespannt und anschließend mithilfe eines Vakuums in die gewünschte Form gezogen. Dieses Verfahren zeichnet sich durch geringe Werkzeugkosten, schnellere Arbeitszyklen und hohe Designflexibilität aus. 

Hersteller wählen das Vakuumformen zur Herstellung von Luft- und Raumfahrtteilen in kleinen bis mittleren Stückzahlen, die groß sind und eine relativ einfache Geometrie aufweisen, wie z. B. Instrumentenblenden und Innenverkleidungen. 

Doppelblech-Thermoformen

Beim Dünnblech-Thermoformen werden zwei Kunststoffplatten separat erhitzt und gleichzeitig über passende Formen gezogen. Anschließend werden die Formflächen miteinander verschmolzen, um ein einzelnes Hohlteil zu erhalten. 

Dieses Verfahren eignet sich für hohle Luft- und Raumfahrtbauteile mit Rippen und inneren Strukturen, wie z. B. Kanäle, Staufächer und Sitzlehnen.

Vorteile von Kunststoffen in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Verwendung von Kunststoffen in der Luft- und Raumfahrtindustrie bietet zahlreiche Vorteile, wie z. B. Gewichtsreduzierung, Kosteneffizienz, Korrosionsbeständigkeit, Designflexibilität usw. 

• Leicht: Kunststoffe sind leichte Werkstoffe und tragen zur Verbesserung der Treibstoffeffizienz von Flugzeugen bei.
• Korrosionsbeständig: Viele Kunststoffe in der Luftfahrt sind sehr beständig gegen Chemikalien, Feuchtigkeit und korrosive Umgebungen. 
• Thermische Stabilität: Kunststoffe wie PEEK und PAI weisen einen breiten Einsatztemperaturbereich auf (bis zu ~ 250 °C).
• Elektrische Isolierung: Kunststoffe besitzen eine hohe Durchschlagsfestigkeit und isolieren den Stromfluss.  
• Kosteneffizient: Kunststoffe sind im Vergleich zu vielen Metallen und Legierungen eine kostengünstige Materialwahl in der Luft- und Raumfahrtindustrie. 
• Versiegelung & Transparenz: Einige Kunststoffe für die Luft- und Raumfahrt weisen hervorragende Dichtungseigenschaften und optische Transparenz auf. 

Faktoren, die bei der Auswahl von Kunststoffen für die Luft- und Raumfahrt zu berücksichtigen sind

Die Wahl des richtigen Kunststofftyps für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt hängt typischerweise von den Bauteilen ab, für die das Material ausgewählt wird, und von den jeweiligen Anwendungsanforderungen.

Werfen wir einen Blick auf die Liste der allgemeinen Faktoren, die bei der Auswahl eines Kunststoffs für Luft- und Raumfahrtkomponenten zu berücksichtigen sind. 

• Anwendungsszenario und Betriebsumgebung
• Einhaltung gesetzlicher Vorschriften in der Luft- und Raumfahrtindustrie, wie z. B. FST/FAR 25.853
• Einfache Verarbeitbarkeit, z. B. Bearbeitbarkeit, Formbarkeit und Kompatibilität mit Oberflächenbehandlungen. 
• Zuverlässigkeit der Rohstofflieferkette 
• Brennbarkeit und Festigkeits-Gewichts-Verhältnis

Herausforderungen und Zukunftstrends bei Werkstoffen für die Luft- und Raumfahrt 

Die Gewichtsreduzierung ohne Einbußen bei der gewünschten Festigkeit und Steifigkeit ist die zentrale Herausforderung bei der Materialauswahl für die Luft- und Raumfahrt. Unternehmen streben stets nach dem optimalen Kompromiss zwischen geringem Gewicht und mechanischer Festigkeit. 

Hochleistungskunststoffe und Verbundwerkstoffe gewinnen daher in der Luft- und Raumfahrtindustrie zunehmend an Bedeutung. 

Weitere Herausforderungen sind:

• Wärmewiderstand bei niedrigen und erhöhten Temperaturen
• Die Fähigkeit des Materials, zyklischen Belastungen standzuhalten 
• Einfache Herstellbarkeit, z. B. Bearbeitbarkeit.
• Kosteneffizienz von Hochleistungskunststoffen

Zukunftstrends bei Kunststoffen für die Luft- und Raumfahrt

• Leichtbau-Verbundwerkstoffe: Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CFRP), Aramidfasern und anderen hochentwickelten Verbundwerkstoffen mit ausgezeichnetem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. 
• Thermoplaste: Flugzeughersteller bevorzugen Hochleistungsthermoplaste wie PEEK und PEI gegenüber Metallen und Legierungen.
• Automation: Die Industrie setzt bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Automatisierung, um eine hohe und gleichbleibende Qualität zu gewährleisten. 
• 3D-Druck: Ein weiterer Trend ist der Einsatz von Polymer-3D-Druck zur Herstellung von Flugzeugkomponenten. 

Aktueller Marktanteil und Wachstumsprognose für Kunststoffe in der Luft- und Raumfahrt

Der Markt für Kunststoffe in der Luft- und Raumfahrt wird im Jahr 2026 voraussichtlich ein Volumen von rund 10.1 Milliarden US-Dollar erreichen, was einen deutlichen Anstieg gegenüber 2024 (8.15 Milliarden US-Dollar) bedeutet. Gemäß Hin zu Chemie & MaterialienEs wird erwartet, dass der Markt für Kunststoffe in der Luft- und Raumfahrt bis Ende 2035 ein Volumen von 23.3 Milliarden US-Dollar erreichen wird, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 9.75 %.

Schauen wir uns als Nächstes die untenstehende Grafik an, die eine jährliche Prognose der Marktgröße für Kunststoffe in der Luft- und Raumfahrt enthält.

Marktwachstum von Kunststoffen für die Luft- und Raumfahrt

Fazit

Insgesamt sind Kunststoffe für die Luft- und Raumfahrt unverzichtbare Werkstoffe, die zur Herstellung einer Vielzahl von Teilen für Kabineninnenausstattungen, hinterleuchtete Paneele, Schutzkomponenten und elektrische Systeme, Befestigungselemente für Unterbaugruppen sowie kritische, motornahe Krümmer verwendet werden.  

Hochleistungskunststoffe wie PEEK, PTFE, PEI und PAI Sie erfüllen nicht nur die Leistungs- und Sicherheitsanforderungen, sondern reduzieren auch das Gewicht und steigern die Kraftstoffeffizienz. 

Bei ProlenTech bieten wir an Dienstleistungen im Bereich der Kunststoffbearbeitung Für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Medizintechnik, die Konsumgüterindustrie, die Elektronikindustrie und viele weitere Branchen. Wir verfügen über mehrachsige CNC-Maschinen, die komplexe Kunststoffteile mit Toleranzen bis zu ± 0.005 mm präzise formen können.

Häufig gestellte Fragen

Welches Polymer wird in der Luft- und Raumfahrt verwendet?

Hochleistungspolymere wie PEEK, PEI, PTFE und PAI werden in der Luft- und Raumfahrt für Strukturbauteile, elektrische Systeme, Innenausstattungen usw. verwendet. 

Was ist ein Werkstoff in Luft- und Raumfahrtqualität?

Ein Werkstoff in Luft- und Raumfahrtqualität ist jedes Metall, jede Legierung, jeder Kunststoff oder Verbundwerkstoff, der so konstruiert ist, dass er die Anforderungen an Leistung, Sicherheit und Qualität erfüllt oder einhält. 

Welche Thermoplaste eignen sich für flexible Konstruktionen in der Luft- und Raumfahrt?

PEEK, PEI, PPS und PC sind die gängigen Thermoplaste für flexible Konstruktionen in der Luft- und Raumfahrt.