Motivation und Problemstellung
Für Bestandsflugzeuge stellt die Verfügbarkeit sicherheitsrelevanter Ersatzteile eine zunehmende Herausforderung dar. Viele Kleinflugzeuge wurden nur in geringen Stückzahlen produziert, sodass Originalersatzteile heute teilweise schwer oder gar nicht mehr verfügbar sind. Gleichzeitig müssen Ersatzbauteile hohe Anforderungen an Bauraum, Masse, Festigkeit, Betriebsfestigkeit und Prüfbarkeit erfüllen.
Im Rahmen des FLAB-3Dprint-Projekts wird daher untersucht, wie additive Fertigung zur Herstellung funktionsfähiger, belastbarer und prüfbarer Ersatzbauteile für die Luftfahrt eingesetzt werden kann. Als Demonstrator dient die Bugfahrwerksgabel der Gyroflug Speed Canard (SC01), eines zweisitzigen Canard-Flugzeugs mit einziehbarem Bugfahrwerk. Die originale Gabel besteht aus gebogenem Stahlblech und zeigte im Betrieb wiederholt Rissbildung in hochbelasteten Bereichen.
Ziel des Demonstrators ist die Entwicklung einer additiv gefertigten Ersatzgabel aus AlSi10Mg, die als Drop-in-Replacement in die bestehende Fahrwerksumgebung integriert werden kann. Neben einer hohen Ermüdungsfestigkeit steht insbesondere die Inspektionsfreundlichkeit im Fokus: mögliche Rissinitiationsstellen sollen im Betrieb gut zugänglich und im Rahmen von Sichtprüfungen erkennbar sein.
Gyroflug Speed Canard (SC01) mit frei nachlaufendem Bugrad.
Demonstrator im Überblick
Die Bugfahrwerksgabel ist ein sicherheitsrelevantes Strukturbauteil des einziehbaren Bugfahrwerks der Speed Canard. Sie nimmt Radlasten beim Rollen, Bremsen und Landen auf und muss gleichzeitig in den engen Bauraum des vorhandenen Fahrwerksschachts passen. Da das Bugrad frei nachlaufend ausgeführt ist und über Differenzialbremsung gesteuert wird, sind neben den Landelasten auch seitliche und dynamische Belastungen, beispielsweise durch Shimmy, für die Auslegung relevant.
Der Demonstrator zeigt, wie die Gestaltungsfreiheit des laserbasierten Pulverbett-Schmelzens von Metallen (PBF-LB/M) genutzt werden kann, um ein bestehendes Bauteil unter Beibehaltung der Schnittstellen neu auszulegen. Durch Topologieoptimierung wird Material gezielt entlang der tragenden Lastpfade eingesetzt. Gleichzeitig wird die Bauteilgeometrie so gestaltet, dass potenziell kritische Bereiche nicht nur rechnerisch beherrschbar, sondern auch praktisch erreichbar und prüfbar sind.
Eine zentrale Anforderung ist die Austauschbarkeit mit der originalen Gabel. Deshalb werden die vorhandenen Schnittstellen, der Bauraum im Fahrwerksschacht, die Rad- und Reifenabmessungen sowie die Bauteilmasse berücksichtigt. Die additiv gefertigte Gabel soll die strukturelle Leistungsfähigkeit erhöhen, ohne die Integration in das bestehende Flugzeug grundlegend zu verändern.
Von der originalen Stahlblechgabel mit Rissbildung zur topologieoptimierten PBF-LB/M-Ersatzgabel.
Methodik und Umsetzung
Die Entwicklung des Demonstrators verbindet Konstruktion, numerische Simulation, additive Fertigung, Messtechnik und experimentelle Validierung. Zu Beginn wurden die originale Bugfahrwerksgabel und die relevanten Randbedingungen des bestehenden Flugzeugs analysiert. Auf dieser Basis wurde eine neue Gabelgeometrie mithilfe von Finite-Elemente-Analysen und Topologieoptimierung entwickelt.
Als Auslegungslasten werden unter anderem vertikale Landelasten und horizontale Spin-up-Lasten des Rades berücksichtigt. Die Ergebnisse der Topologieoptimierung werden anschließend in eine fertigbare CAD-Geometrie überführt. In späteren Iterationen wurde die Topologieoptimierung gezielt so angepasst, dass die Einspannung robuster ausgelegt ist und potenziell ermüdungskritische Bereiche in besser zugängliche Bauteilbereiche verlagert werden.
Topologieoptimierung: vom beschränkten Bauraum zum lastpfadgerechten Entwurf der PBF-LB/M-Gabel.
Gefertigt werden die Gabeln aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg mittels PBF-LB/M. Nach dem Bauprozess erfolgen Wärmebehandlung und mechanische Nachbearbeitung ausgewählter Funktionsflächen. Da Oberflächenrauheit und Eigenspannungen die Ermüdungsfestigkeit additiv gefertigter Bauteile stark beeinflussen können, werden definierte Bauteilbereiche vor der Prüfung messtechnisch charakterisiert.
Die experimentelle Validierung erfolgt auf mehreren Ebenen. Skalierte Gabeln werden auf einer servohydraulischen Prüfmaschine unter zyklischer Druckbelastung getestet, um Bauteil-Wöhlerlinien sowie Informationen über Lebensdauer, Streuung und Rissinitiationsorte zu erhalten. Ergänzend wurde ein Drei-Achs-Prüfstand aufgebaut, mit dem vollskalige Gabeln unter realitätsnahen Lastkollektiven untersucht werden können. Dazu zählen Rollen auf unbefestigten Untergründen, Bremslasten, harte und weiche Landungen sowie laterale Anregungen durch Flattern (engl. Shimmy).
Skalierte PBF-LB/M-Gabel im servohydraulischen Bauteilprüfstand.
3-Achs-Prüfstand zur Validierung vollskaliger Gabeln unter kombinierten Betriebsbelastungen.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Übertragung probenbasierter Lebensdauermodelle auf komplexe additiv gefertigte Bauteile. Dazu werden lokale Spannungen aus der FEM mit gemessenen Oberflächen- und Eigenspannungsdaten kombiniert. Ein auf Arbeiten von Lea Strauß aufbauendes, Murakami-basiertes Lebensdauermodell wird verwendet, um die Ermüdungskritikalität verschiedener Bauteilbereiche zu bewerten und mit den experimentell beobachteten Versagensorten zu vergleichen.
Ergebnisse und Erkenntnisse
Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass additive Fertigung ein großes Potenzial für die Herstellung belastbarer Ersatzbauteile im Luftfahrtkontext bietet. Durch Topologieoptimierung konnte eine neue Lastpfadstruktur realisiert werden, die bei gleicher Bauteilmasse eine deutlich erhöhte strukturelle Leistungsfähigkeit gegenüber der ursprünglichen Stahlblechgabel ermöglicht.
Gleichzeitig wurde deutlich, dass bei additiv gefertigten Ermüdungsbauteilen nicht allein die numerisch berechnete Spannung ausschlaggebend ist. Die lokale Oberflächenbeschaffenheit, die durch Bauorientierung und notwendige Stützstrukturen beeinflusst wird, kann den tatsächlichen Rissinitiationsort wesentlich mitbestimmen. In aktuellen Bauteilversuchen zeigte sich, dass Bereiche mit erhöhter Rauheit trotz geringerer FEM-Spannung ähnlich kritisch werden können wie Bereiche mit höherer rechnerischer Spannung.
Ein im Demonstrator gezeigter Bauteilversuch verdeutlicht zudem die Schadenstoleranz der entwickelten Struktur: Eine PBF-LB/M-Gabel erreichte mehr als 70.000 simulierte Landezyklen. Auch nach sichtbarer Rissbildung konnte sie unter den gewählten Prüfbedingungen noch weitere rund 6.000 Landezyklen aufnehmen. Das unterstreicht den Nutzen von Bauteilversuchen, um neben der Lebensdauer auch das Verhalten nach Rissinitiierung zu bewerten.
Videovorschau: Bauteilversuch zur Schadenstoleranz einer PBF-LB/M-Bugfahrwerksgabel.
Der Demonstrator verdeutlicht damit mehrere zentrale Aspekte der additiven Fertigung im sicherheitsrelevanten Leichtbau:
- Topologieoptimierung ermöglicht eine lastpfadgerechte Neukonstruktion bestehender Bauteile.
- Additive Fertigung erlaubt die Umsetzung komplexer Geometrien innerhalb enger Bauraumgrenzen.
- Fertigungseinflüsse wie Rauheit, Eigenspannung, Bauorientierung und Stützstrukturen müssen bei ermüdungsbeanspruchten AM-Bauteilen in die Bewertung einbezogen werden.
- Inspektionsfreundlichkeit sollte bereits in der frühen Konstruktionsphase als Auslegungsziel berücksichtigt werden.
- Bauteilversuche sind entscheidend, um Simulations- und Lebensdauermodelle auf Komponentenebene zu validieren.
Damit dient die Bugfahrwerksgabel nicht nur als technischer Demonstrator für ein mögliches Ersatzteil, sondern auch als Forschungsplattform zur Verbindung von additiver Fertigung, Leichtbaukonstruktion, Betriebsfestigkeit und inspektionsgerechter Bauteilauslegung.
Weiterführende Informationen
Publikationen:
Scholz, F.; Theuser, A.; Hupfer, A.; Bayerdörfer, I.: Manufacture-oriented design of a topology-optimized nose landing gear fork for a small aircraft with retractable landing gear. CEAS Aeronautical Journal, 2026. DOI: 10.1007/s13272-026-00958-y
Scholz, F.; Strauß, L.; Löwisch, G.; Bayerdörfer, I.: Service Life Analysis of a Topology-Optimized Nose Landing Gear Fork Made from Additively Manufactured AlSi10Mg. Research Square Preprint, 2026. DOI: 10.21203/rs.3.rs-9419678/v1
Strauß, L.; Löwisch, G.: Effect of Residual Stress, Surface Roughness, and Porosity on Fatigue Life of PBF-LB AlSi10Mg. 2024. DOI: 10.1007/978-3-031-49043-9_16
Ansprechpartner:
Felix Scholz, M.Sc. M.Sc. (f.scholz@unibw.de)
Projektkontext: FLAB-3Dprint