Hersteller für die Luft- und Raumfahrt arbeiten unter Bedingungen, bei denen jedes Gramm, jedes Mikron und jeder Zyklus zählt. Die Präzision von Lasern ist unerlässlich geworden, um die Nachfrage nach leichteren, robusteren und ermüdungsresistenteren Komponenten zu erfüllen.
Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und reichen vom Verbinden von Hochleistungslegierungen bis zur Reparatur von Flugzeugoberflächen ohne mechanischen Kontakt. Laser bieten die benötigte Geschwindigkeit, Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Ergebnisse, ohne die innere Struktur kritischer Komponenten zu beeinträchtigen. Laser verbessern die Haltbarkeit von Komponenten, wie z. B. Laser Shock Peening (LSP) beim F-35B-Kampfjet des US Marine Corps, um die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung und Stress zu erhöhen. Und es gibt immer neue Entwicklungen, zum Beispiel Tests von autonomem Laserschweißen im Weltraum für Herstellung und Reparatur.
Laseranwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie
Der Markt für industrielle Laser wird im Jahr 2025 auf 23,9 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2032 auf 55 Milliarden US-Dollar anwachsen. Ein großer Marktanteil entfällt auf die Luft- und Raumfahrtindustrie. Hier sind einige der gängigsten aktuellen Anwendungen.
Anwendung 1: Laserschweißen
Laserschweißen bietet zuverlässige Präzision beim Verbinden von Legierungen für die Luft- und Raumfahrt und ermöglicht hochfeste Verbindungen ohne schwere mechanische Befestigungsteile. Im Gegensatz zum Lichtbogen- oder WIG-Schweißen minimieren Lasersysteme die Wärmeeinflusszone (WEZ) und ermöglichen es, dünnere Strukturen ohne Verzug zu schweißen – ein entscheidender Vorteil für die Gewichtsreduzierung.
Das Impulslaserschweißen wird besonders für die Möglichkeit geschätzt, den Energieeintrag zu lokalisieren und so Verziehen in hochpräzisen oder dünnwandigen Strukturen zu verhindern. Moderne Faserlasersysteme können beispielsweise Eindringtiefen von 3–8 mm in Titanlegierungen bei Schweißgeschwindigkeiten von 2–5 Metern pro Minute und Leistungsdichten von über 10^6 W/cm² erreichen. Diese Präzision ist entscheidend beim Schweißen von ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierungen wie 7075-T6, bei denen eine übermäßige Wärmezufuhr die künstliche Alterung, die dem Material seine Festigkeit verleiht, beeinträchtigen würde.
Anwendungsfälle |
Materialien |
Vorteile |
Kraftstofftanks, Triebwerksgehäuse, Satellitenstrukturen |
Titan, Inconel, Aluminium-Legierungen |
Verzugsarme Schweißnähte, leichtes Design, automatisierbar, arbeitssparend |
Anwendung 2: Laserschneiden
Das Laserschneiden bietet eine berührungslose Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Flugwerkkomponenten und internen Strukturen. Teile für die Luft- und Raumfahrt erfordern in der Regel enge Toleranzen, mehrachsige Geometrien und minimalen Materialabfall – und genau das ist es, was Laser auszeichnet.
Im Gegensatz zu mechanischen Werkzeugen leiden Laserschneider nicht unter Abnutzung oder verursachen Mikrorisse in Verbundwerkstofflaminaten. Sie werden zunehmend in Roboterzellen eingesetzt, um Rumpfhäute, Innenverkleidungen und Triebwerkskomponenten aus Aluminium, CFK oder Titan zu schneiden. Moderne Faserlasersysteme erreichen Schnittfugenbreiten von nur 0,1 mm mit einer Kantenqualität von Q1–Q2 gemäß ISO 9013 und bearbeiten Titan mit einer Geschwindigkeit von bis zu 15 Metern pro Minute bei einer Dicke von 3 mm.
Anwendungsfälle |
Materialien |
Vorteile |
Rumpfhäute, gewölbte Platten, Innenkonsolen |
CFK, Aluminium, Titan |
Saubere Kanten, enge Toleranzen, geringer Materialabfall, kein Werkzeugverschleiß |
Anwendung 3: Laserbeschriftung
Jede Schraube, jedes Gehäuse und jede Komponente muss dauerhaft und nachprüfbar gekennzeichnet sein. Die Laserbeschriftung ermöglicht es Herstellern, Seriennummern, UID-Codes oder Barcodes direkt auf die Teile zu gravieren, ohne deren strukturelle oder Oberflächeneigenschaften zu beeinträchtigen.
Diese Methode ersetzt das chemische Ätzen oder das Dot-Peening, die das Material verformen oder Korrosionsstellen verursachen können – ein inakzeptables Risiko bei kritischen Komponenten.
Die Erfüllung der AS9100-Qualitätsstandards erfordert eine vollständige Rückverfolgbarkeit, und Laserbeschriftungssysteme lassen sich jetzt direkt in MES-Systeme integrieren, um automatisch eindeutige Kennzeichnungen zu erzeugen und zu überprüfen. Die NADCAP-Akkreditierung für Laserbeschriftungsverfahren erfordert die nachgewiesene Fähigkeit, Markierungen mit einem Kontrastverhältnis von mindestens 80 % zu erzeugen, die mehr als 500 Stunden Salzsprühnebeltests überstehen.
Anwendungsfälle |
Materialien |
Vorteile |
Avionik-Gehäuse, Halterungen, Triebwerksteile |
Aluminium, Edelstahl, Polymere |
AS9100-konforme Markierungen, korrosionsbeständig, keine Oberflächenverschlechterung |
Anwendung 4: Laserbohren
Moderne Triebwerke für die Luft- und Raumfahrt erfordern außergewöhnliche Präzision bei den Kühlsystemen. Eine einzelne Turbinenschaufel kann Hunderte von Mikrolöchern enthalten, um den internen Luftstrom zu steuern und thermische Ermüdung zu verhindern. Das hat sich im Laufe der Zeit dramatisch verändert. Ein modernes Flugzeugtriebwerk kann bis zu 500.000 präzise gebohrte Löcher enthalten. Das ist das 100-fache gegenüber Designs von 1980.
Mit Laserbohren lassen sich die erforderlichen kleinen Durchmesser, engen Abstände und sauberen Bohrungen erzielen, ohne dass es zu den für mechanische oder EDM-Methoden typischen Rissen oder Umformschichten kommt. Femtosekunden-Lasersysteme können Löcher mit einem Durchmesser von nur 10 µm und einem Seitenverhältnis von mehr als 20:1 bohren, wobei die Rundheit innerhalb von 2 % und die Oberflächenrauheit unter Ra 0,8 μm bleibt.
Anwendungsfälle |
Materialien |
Vorteile |
Turbinenschaufeln, Kühlbohrungen |
Titan, Inconel |
Löcher unter 100 µm, kein Werkzeugverschleiß, reduzierter Luftwiderstand, geringerer Kraftstoffverbrauch, ermüdungssicher |
Ein bemerkenswertes Beispiel ist der Einsatz fortschrittlicher Femtosekunden-Laserbohrsysteme zur Erzeugung von Mikroperforationen zur hybriden laminaren Strömungskontrolle (HLFC) in Titanplatten, die dann auf die Flügeloberflächen montiert werden. Diese Platten absorbieren die Luft in der Grenzschicht, reduzieren den Luftwiderstand und erhöhen die Kraftstoffeffizienz.
Anwendung 5: Lasertexturierung
Herkömmliche Methoden der Oberflächenbearbeitung wie chemisches Ätzen, Schleifen oder Strahlen sind nicht ideal für die dünnen oder leichten Materialien in der Luft- und Raumfahrt. Laser ermöglichen eine präzise Kontrolle der Oberflächentopographie, ohne dass Material abgetragen wird oder Spannungen entstehen.
Die Lasertexturierung verbessert die Haftfestigkeit von Verbundwerkstoff-Metall-Verbindungen und Strukturklebstoffen, ohne die Verunreinigungsrisiken mechanischer Methoden oder die Verschmutzung durch chemische Ätzverfahren. Dadurch wird die Haltbarkeit von Verbindungen in Rumpfbaugruppen, Triebwerksgondeln oder Verkleidungen verbessert.
Anwendungsfälle |
Materialien |
Vorteile |
Kompositverklebung, Primer-Vorbereitung, Klebeverbindungen, Läppen |
CFK, Aluminium, Titan |
Berührungsloses, präzises Adhäsions-Tuning, keine Oberflächenverformung |
In der Michoud Assembly Facility der NASA wurden Laser eingesetzt, um das Läppen von Komponenten für die Space Launch Systems (SLS) zu rationalisieren, was eine Verkürzung der Bearbeitungszeit von 20 Minuten pro Teil auf nur 60 Sekunden ermöglichte.
Anwendung 6: Laserreinigung
Flugzeuge müssen im Laufe ihres Lebenszyklus mehrmals entlackt und neu lackiert werden. Mit herkömmlichen Methoden kann das Entfernen der Farbe von einem kompletten Flugzeug mehr als eine Woche dauern, wobei gefährliche Chemikalien oder Schleifstrahlen zum Einsatz kommen.
Die Laserreinigung reduziert diesen Prozess auf 3–4 Tage, je nach Flugzeuggröße. Es beschleunigt die Durchlaufzeit und trägt dazu bei, die Sicherheit der Techniker und den Zugang zu engen Bereichen zu verbessern. Insbesondere reduziert es die Menge an gefährlichem Abfall um mehr als 90 %, wodurch die Kosten für die Entsorgung und das Materialhandling um Tausende von US-Dollar pro Flugzeug gesenkt werden.
Anwendungsfälle |
Materialien |
Vorteile |
Entlacken, Korrosionsentfernung |
Aluminium, Verbundwerkstoffe |
Schnellere MRO, weniger Abfall, sichererer Zugang, keine chemischen Schäden |
Anwendung 7: Laser Shock Peening (LSP)
Laser Shock Peening revolutioniert das Ermüdungsmanagement für kritische Komponenten. Im Gegensatz zum herkömmlichen Kugelstrahlen werden beim LSP laserinduzierte Schockwellen verwendet, um Druckeigenspannungen zu erzeugen. Auf diese Weise kann die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung und Spannungsrisskorrosion erhöht werden, ohne das Material stark zu erhitzen oder sein Korngefüge zu verändern.
Dies kann die Lebensdauer von Flugzeugen mit überprüfbaren und wiederholbaren Prozessen drastisch verbessern, wie z. B. dem LSP-Prozess, der bei der STOVL-Variante der F-35B der US-Marine eingesetzt wird.
Anwendungsfälle |
Materialien |
Vorteile |
Turbinenschaufeln, Flügelholme, Befestigungslöcher,
Flugzeugrümpfe |
Titan, Stahl, Inconel |
Ermüdungslebensdauer, Rissverzögerung, keine Wärmezufuhr oder metallurgische Veränderung |
Anwendung 8: Laserbasierte additive Fertigung
Die laserbasierte additive Fertigung (LAM) ermöglicht es, Teile schichtweise aus Metallpulvern herzustellen.
Es wird bereits zur Herstellung von kundenspezifischen Halterungen, Treibstoffdüsen und Satellitenhalterungen verwendet, oft mit erheblichen Gewichtseinsparungen und weniger Fehlerquellen. Dies ist besonders wertvoll für UAVs und Raumfahrzeuge, bei denen es auf jedes Gramm ankommt. In Kombination mit Topologie-Optimierung, einer Designmethodezur Bestimmung der effizientesten Materialverteilung, kann die additive Fertigung bemerkenswerte Ergebnisse erzielen. Diese Synergie ermöglicht eine Gewichtsreduzierung der Komponenten um 40–60 %, während die strukturelle Integrität erhalten bleibt oder sogar verbessert wird.
Für einige Hersteller kann dies auch die Zeit, die für die Herstellung von Ersatzteilen benötigt wird, erheblich reduzieren. Honeywell erklärt zum Beispiel, dass es bei Lagergehäusen eine Verkürzung der Vorlaufzeit von zwei Jahren auf nur zwei Wochen ermöglicht hat. Bei den LEAP-Triebwerksdüsen von GE, die mit Hilfe der laserbasierten additiven Fertigung hergestellt wurden, wurden 20 separate Komponenten zu einem einzigen gesinterten Teil kombiniert, das 25 % leichter und fünfmal haltbarer ist.
Anwendungsfälle |
Materialien |
Vorteile |
Topologie-optimierte Halterungen, Wärmetauscher, Abstandsplatten,
Kraftstoffdüsen |
Titan, Inconel, Edelstahl |
Geringeres Gewicht, Teilekonsolidierung, Rapid Prototyping |
Anwendung 9: Lasermetrologie & -inspektion
Laserbasierte Messmethoden wie 3D-Scanning und Interferometrie ermöglichen die berührungslose Messung komplexer Geometrien und Schweißnähte im Mikrometerbereich.
Diese Techniken sind für die Endmontage, die Validierung im Autoklav und das Reverse-Engineering älterer Komponenten unerlässlich geworden.
Anwendungsfälle |
Materialien |
Vorteile |
Inline-QC, Schweißnahtprüfung, Reverse-Engineering |
Alle strukturellen Materialien |
Berührungslos, Echtzeit-Validierung, kompatibel mit digitalen Zwillingen |
Blick nach vorn
In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird der Einsatz von Lasern über die konventionelle Fertigung hinaus auf autonome Systeme und weltraumgestützte Operationen ausgedehnt. Die jüngsten Tests der NASA zum Laserschweißen im Orbit für die Satellitenmontage sind erst der Anfang. Die Herstellungsmethoden der Zukunft im All könnten sich aufgrund der Präzision und des geringen Ressourcenbedarfs vollständig auf laserbasierte Prozesse stützen.
Mit der Ausweitung der kommerziellen Raumfahrt und der Entwicklung von Hyperschallflugzeugen werden das Wärmemanagement und die ultraleichten Strukturen, die diese Fortbewegungsmittel erfordern, Laseranwendungen in Bereichen vorantreiben, die wir gerade erst zu erforschen beginnen.
FAQ: Laseranwendungen in der Luft- und Raumfahrt
Welche Lasertechnologien kommen in der Luft- und Raumfahrt am häufigsten zum Einsatz?
Zum Einsatz kommen vorrangig Faserlaser, Femtosekundenlaser und CO₂-Laser. Je nach Anforderung – ob Schneiden, Schweißen, Bohren oder Reinigen – wird die Technologie entsprechend angepasst.
Warum sind Laser bei der Bearbeitung von CFK und Titan so beliebt?
Laser ermöglichen eine berührungslose, verschleißfreie und hochpräzise Bearbeitung – ohne Mikrorisse, Verzug oder Werkzeugverschleiß. Das ist bei empfindlichen Materialien wie CFK und Titan entscheidend.
Wie helfen Laser, Gewicht in der Luftfahrt zu reduzieren?
Durch präzises Schweißen, Schneiden und additive Fertigung lassen sich leichtere Bauteile mit gleicher oder besserer Festigkeit herstellen. Gleichzeitig entfallen viele Verbindungselemente und unnötige Materialüberschüsse.
Ist Lasertechnologie für die Serienfertigung geeignet?
Ja. Moderne Lasersysteme sind vollständig automatisierbar und lassen sich in bestehende Fertigungslinien integrieren – inklusive Inline-Messtechnik und Rückverfolgbarkeit via Laserbeschriftung.
Wie nachhaltig ist der Einsatz von Lasern in der Luft- und Raumfahrt?
Laserprozesse sparen Material, reduzieren Abfall, senken den Energieverbrauch und ersetzen chemische Verfahren. Die Laserreinigung z. B. senkt den gefährlichen Abfall um über 90 %.
Können Laser auch im Weltraum eingesetzt werden?
Bereits heute testet die NASA Laserschweißverfahren für die Fertigung im Orbit. Künftige Missionen und Raumstationen könnten vollständig auf laserbasierte Herstellung setzen – ohne Schwerkraft, aber mit maximaler Effizienz.
