Weniger Poren, höhere Impact-Toleranz: Peter Dornier-Stiftungspreis 2026 prämiert Materialforschung an Faserverbundbauteilen für die Luft- und Raumfahrt

Gegen teuren Ausschuss: 87,5 Prozent weniger Poren in CFK- und GFK-Bauteilen
Carbon- und glasfaserverstärkte Kunststoffe (CFK/GFK) entfalten ihr volles Leichtbau- und Nachhaltigkeitspotenzial erst, wenn sich Fasern und Kunstharz möglichst lückenlos miteinander verbinden. Das Problem: Beim gängigen Injektionsverfahren „Resin Transfer Moulding“ (RTM) entstehen oft mikroskopisch kleine Poren, die das Bauteil schwächen können. „Das Harz trifft im Gewebe auf lokale Fließwiderstände und wird dadurch unerwünscht umgelenkt“, erklärt Dr.-Ing. Benedikt Neitzel, Senior Research Scientist an der TU Ilmenau. Bisher werden solche Lufteinschlüsse durch großzügige Sicherheitsreserven kompensiert. „Das macht die Bauteile aber unnötig schwerer“, so Neitzel. Wird die Toleranzgrenze überschritten, droht teurer Ausschuss – besonders bei Carbon.

In seiner mit dem Peter Dornier-Stiftungspreis 2026 ausgezeichneten Doktorarbeit („Analyse der Permeabilität textiler Halbzeuge zur Porenminimierung im RTM-Verfahren“) entwickelte Neitzel deshalb eine neue Berechnungsmethode, mit der sich die Porenentstehung besser vorhersagen lässt. Zudem entwarf er eine automatische Prozesssteuerung, die Lufteinschlüsse aktiv vermeidet. Das Ergebnis: „Wir konnten den Porengehalt in Probekörpern um bis zu 87,5 Prozent senken“, sagt Neitzel, der auch Geschäftsführer der Forschungsvereinigung „Werkstoffe aus nachhaltigen Rohstoffen“ ist.

Solche porenärmeren Bauteile können künftig deutlich dünner und leichter ausgelegt werden. „Das größte Einsparpotenzial für Material und Treibstoff liegt dort, wo große Massen bewegt werden müssen, also vor allem im Flugzeugbau, aber auch bei Maschinen oder in der Medizintechnik“, sagt Neitzel. Ein großer Vorteil für die Industrie: Seine Methodik erfordere keine umfangreichen Messreihen. „Ingenieure können meine Arbeit heute lesen und morgen anwenden“, so der Materialforscher.

Nach Hagel und Vogelschlag: 3D-Gewebe übertreffen klassische 2D-Laminate
Moderne Flugzeuge bestehen zu großen Teilen aus Faserverbundkunststoffen, meist als schichtweise aufgebaute 2D-Laminate. 3D-Gewebe kommen bislang seltener zum Einsatz, obwohl sie eine zentrale Schwachstelle von 2D-Laminaten adressieren: die geringe Belastbarkeit in Dickenrichtung. Da die Fasern bei 3D-Composites auch in der dritten Dimension (z-Richtung) verlaufen, sind diese deutlich weniger anfällig für Schichttrennung (Delamination) und Risse.

3D-Preforms werden bisher vor allem dort eingesetzt, wo höchste Schadenstoleranz gefordert ist, etwa in den Fanschaufeln der LEAP-Triebwerke der A320neo-Familie von Airbus oder der Boeing 737 MAX. Ein aktuelles Beispiel aus der Raumfahrt ist das NASA-Raumschiff Orion, mit dem Anfang April während der Artemis-II-Mission eine vierköpfige Crew um den Mond flog. „Bei Orion sind an hochbelasteten Verbindungspunkten 3D-Gewebe im Einsatz, etwa zwischen Astronautenkapsel und Servicemodul“, sagt Johanna Buschmann, M.Sc. „Dort halten sie den enormen Kräften bei Start und Wiedereintritt stand und verringern das Risiko lebensgefährlicher Wärmebrücken.“

In ihrer Masterarbeit am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), für die Buschmann den Peter Dornier-Stiftungspreis 2026 erhalten hat, untersuchte sie, wie gut 3D-Gewebe Einschläge (Impacts) – etwa durch Vogelschlag, Hagel oder fallengelassene Werkzeuge – im Vergleich zu 2D-Laminaten verkraften. „Solche Einschläge können innere Schäden erzeugen, die von außen kaum sichtbar sind, die Bauteil-Tragfähigkeit aber stark beeinträchtigen“, erklärt Buschmann. Für ihre Arbeit mit dem Titel „Auswertung und experimentelle Absicherung einer Materialcharakterisierungskampagne mit dreidimensional-gewebten CFK-Preforms“ verglich sie 2D-Gewebe (Twill) mit 3D-CFK-Preforms (Layer-to-Layer und Angle-Interlock XY). Die Versuche belegen: Die 3D-CFK-Gewebe zeigten bei Impact eine deutlich höhere Energieaufnahme, weniger Delamination und eine bessere Resttragfähigkeit. Während das 2D-Gewebe bei einem 15-Joule-Einschlag – vergleichbar mit der Aufprallenergie größerer Hagelkörner – rund 54 Prozent seiner Druckfestigkeit einbüßte, lagen die Einbußen bei den 3D-Geweben nur bei 28 bis 40 Prozent.

„Das zeigt: Der Einsatz von 3D-Preforms kann die Resttragfähigkeit und Impact-Toleranz von Composites erhöhen“, sagt Buschmann. Dies berge besonders für die Luft- und Raumfahrt großes Potenzial, da Einschlagschäden dort teure Reparaturen oder Bauteilwechsel erfordern. Langfristig könne die voraussichtlich längere Lebensdauer von 3D-gewebten Bauteilen nach Impact zudem die Nachhaltigkeit im Flugzeugbau erhöhen.

Ein Kreis schließt sich: Vom Flugzeugkonstrukteur Peter Dornier zu 3D-Geweben in der Luftfahrt
Passend zu den prämierten Arbeiten fand die Preisverleihung Mitte Juli im Technikum des Unternehmensbereichs Composite Systems der Lindauer DORNIER statt. In diesem Bereich bündelt der Webmaschinen- und Folienanlagenbauer seine jahrzehntelange Kompetenz in der Verarbeitung der beiden Faserverbund-Schlüsselmaterialien – Fasern und Kunststoffe – in Anlagen zur skalierbaren Composite-Serienfertigung. Die Stiftungspreis-Kuratoren Dr.-Ing. Andreas Rutz und Dr.-Ing. Bernd Sträter würdigten die ausgezeichneten Arbeiten als „wissenschaftlich wie praktisch sehr gelungen“ und als „bedeutenden Beitrag zur Weiterentwicklung der Faserverbundtechnologie“, weil sie einerseits Berechnungs- und Herstellverfahren von Faserverbundbauteilen deutlich verbesserten und andererseits belastbare Materialkennwerte für den industriellen Einsatz von 3D-Geweben lieferten.

Peter D. Dornier, langjähriger Geschäftsführer und heutiger Aufsichtsratsvorsitzender des Familienunternehmens sowie im Stiftungsrat für den Peter Dornier-Stiftungspreis verantwortlich, schlug in seiner Laudatio den Bogen zur Unternehmensgeschichte: Sein Vater, der DORNIER-Gründer und Flugzeugkonstrukteur Peter Dornier, Sohn des Luftfahrtpioniers Claude Dornier, habe einmal gesagt: „Dornier und Flugzeuge – das gehört zusammen.“ Die gewürdigten Arbeiten an der Schnittstelle von Faserverbund und Luftfahrt stünden ganz in diesem Geist und hätten gewiss seinem Anspruch an zukunftsweisende Forschungsarbeit entsprochen, so Peter D. Dornier.

Dann nahm er die rund 120 geladenen Gäste mit zu den Composite-Anfängen des Unternehmens: Bereits in den 1970er-Jahren wurden auf DORNIER-Greiferwebmaschinen textile Halbzeuge für Leitwerksteile von Airbus-Flugzeugen, Bauteile der Ariane-Rakete und die CFK-Bremsklappen des Alpha Jets gewebt – das erste in Europa zugelassene CFK-Serienbauteil, entstanden im Rahmen eines deutsch-französischen Gemeinschaftsprojekts der Flugzeughersteller Dornier und Dassault-Breguet. An diese Pionierarbeit, so Dornier, knüpfe Composite Systems etwa mit 3D-Webmaschinen für Flugzeugzulieferer an. Er betonte: „Dass auch die Gewebe für die prämierten Arbeiten bei unseren Kunden auf DORNIER-Webmaschinen hergestellt wurden, schließt diesen Kreis auf besondere Weise.“

„Keine Superlative, sondern Handwerkszeug für Ingenieure“
Bei der Verleihung zeigten sich beide Preisträger bewegt. „Meine Dissertation liefert keine Superlative, sondern Handwerkszeug, um das Leben von Prozessingenieuren zu erleichtern“, sagte Neitzel. „Ich hätte nie mit einer solchen Auszeichnung gerechnet.“ Buschmann ergänzte: „Es ist mir eine große Ehre, den Peter Dornier-Stiftungspreis zu erhalten, und eine zusätzliche Motivation, im Themenbereich Luft- und Raumfahrt weiter zu forschen.“ Um seine Berechnungsmethodik weiterzuentwickeln und auf weitere Faserstrukturen auszuweiten, arbeitet Neitzel bereits an einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Folgeprojekt. Das DLR, an dem Buschmann ihre Masterarbeit anfertigte, arbeitet unterdessen an weiteren Kooperationen zur praktischen Anwendbarkeit von 3D-CFK-Preforms in der Luft- und Raumfahrt. +++

Zum Peter Dornier-Stiftungspreis
Die Idee zum Peter Dornier-Stiftungspreis geht zurück auf Peter Dornier (1917-2002), den Gründer der Lindauer DORNIER GmbH. Der mit 5.000 Euro je Preisträger dotierte Preis wird seit 2021 jährlich für herausragende wissenschaftliche Arbeiten junger Menschen auf den Gebieten Textil-, Folien- und Faserverbundtechnik sowie Luft- und Raumfahrt verliehen. Zum Stiftungszweck gehören auch die Förderung der medizinischen Forschung sowie die Unterstützung von Hospizen für ein selbstbestimmtes und würdevolles Leben bis zuletzt.