Digitalisierte und effiziente Fertigungstechnologien

Die Faszination Komplexität zu beherrschen

Im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo) werden in der Abteilung Digitalisierte und effiziente Fertigungstechnologien im Luftfahrtforschungsprogramm alle Forschungsprojekte mit Fokus auf Strukturen und Bauweisen sowie auf Digitalisierungstechnologien betreut.

Um den Energiebedarf des Fluggeräts zu reduzieren, stehen insbesondere folgende Maßnahmen im Fokus der Abteilung:

Gewichtsreduzierung aller Strukturen, neue Bauweisen
Neue Werkstoffe und Bauweisen

Einen weiteren signifikanten Fokus der Abteilung stellen Themen zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit und Ressourceneffizienz dar:

Fertigungskostenreduktion
Betriebskostenreduktion
Reduzierung der Entwicklungszeiten
Reduzierung Fertigungssystementwicklungszeiten
Erhöhung der Ratenhochlaufgeschwindigkeit
geschlossene Stoffkreislaufprozesse

Beweggründe für die Forschung

Das zentrale Ziel des LuFo besteht darin, die Klimawirkungen der Luftfahrt durch luftfahrtinduzierte Treibhausgase und Nicht-CO2-Effekte signifikant zu reduzieren. Um die Anforderungen und die Ziele des Pariser Klimaabkommens[1], des Green Deals der EU-Kommission[2] und des Klimaschutzgesetzes der Bundesregierung[3] zu erfüllen sowie die gesellschaftliche Akzeptanz zu stärken, sind in Abstimmung mit den Förderprogrammen der EU (Horizon Europe[4], Clean Aviation[5]) und weiteren europäischen Nationen intensive Anstrengungen hin zu einer klimaneutralen Luftfahrt und zur weiteren Reduzierung des Material- und Ressourcenverbrauchs in der Produktion notwendig. Die erwartete Zunahme des Luftverkehrsaufkommens und die Einbindung neuer unbemannter Fluggeräte in den Luftraum wird zukünftig nur durch effizientere und klimaneutrale Lufttransport- und Produktionssysteme bedient werden können.

Die Ausrichtung der Schwerpunkte von LuFo basiert dabei auf drei Säulen:

Alternative klimaneutrale Technologien,
Reduktion des Energiebedarfs sowie
Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit, Ressourceneffizienz, Senkung des ökologischen Fußabdrucks und Verbesserung der gesellschaftlichen Akzeptanz

Die Abteilung Digitalisierte und effiziente Fertigungstechnologien im Luftfahrtforschungsprogramm adressiert dabei insbesondere die zweite und dritte Säule.

Die Wichtigkeit dieser Themen wird in den Chancen aber auch in den Herausforderungen deutlich. Dabei wird in allen Bereichen eine Optimierung der Effizienz, des Gewichts, der Kosten und der Klimaverträglichkeit adressiert.

Aktueller Forschungsschwerpunkt

Die aktuellen Forschungsschwerpunkte der Abteilung, aufgeteilt in die Fachbereiche „Strukturen und Bauweisen“ und „Digitalisierungstechnologien“, lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Fachbereich Strukturen und Bauweisen:

Gefördert werden Themen aus dem Bereich der primären Rumpf-, Flügel-, Rotor- und Leitwerksstrukturen sowie der Sekundärstrukturen von Verkehrsflugzeugen, Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt, Drehflüglern sowie von UAM und UAS. Themenschwerpunkte hierbei sind:

Gewichtsreduzierte, funktionsintegrierte Strukturkonzepte und Bauweisen zur Reduktion des Energiebedarfs
Innovative, integrierte Simulationsmethoden für beschleunigte Entwicklungsprozesse
Umweltfreundliche Fertigungs-, Montage-, MRO- und End-of-Life-Prozesse
Energie- und ressourceneffiziente Fertigungsprozesse, mit Einstieg in die Kreislaufwirtschaft und reduziertem Ausschuss
Ergonomische Prozesse / Technologien zur Unterstützung von Werkern (Design for Ergonomie)
Entwicklung von LCA-Methoden zur Bewertung der Nachhaltigkeit über den gesamten Produktlebenszyklus
Leichtere, automatisierte Fertigungsmittel wie Endeffektoren / Cobots
Fensterlose Zelle, blended Wing Konzepte, neue Zellkonzepte
Bionische Strukturen

Fachbereich Digitalisierungstechnologien:

Gefördert werden Themen zur Entwicklung von digitalisierten Luftfahrt-Methoden und -Prozessen, die zur signifikanten Steigerung der Effizienz über den gesamten Produktlebenszyklus beitragen. Themenschwerpunkte hierbei sind:

Digitale Zwillinge der Systeme und des Gesamtsystems für alle Phasen des Produktlebenszyklus
Kosteneffiziente digitalisierte Engineering-, Fertigungs-, Betriebs- und End-of-Life-Prozesse als wesentlicher Enabler für klimaneutrale Flugzeuge
Digitalisierung des Fertigungssystems mit Simulationsmethoden, Digitale Prozesszwillinge Industrie IX
Kombinierte virtuelle und physikalische Prüfmethoden für den Struktur- / Systemnachweis bis hin zur virtuell gestützten Zulassung
Daten/KI-gestützte Fertigungssystemoptimierung
Flexiblere, mobile Fertigungssysteme bis hin zu voll automatisierten Fertigungslinien (wo sinnvoll)
Nachvollziehbare KI-Methoden
Automatisierte Flugsteuerungen
Quantencomputing

Ziele

Zentrales Ziel ist die signifikante Reduzierung von Klimawirkungen der Luftfahrt. Dafür sind intensive Anstrengungen hin zu einer emissionsfreien und klimaneutralen Luftfahrt und zur weiteren Reduzierung des Material- und Ressourcenverbrauchs in der Produktion notwendig. Die erwartete Zunahme des Luftverkehrsaufkommens und die Einbindung neuer unbemannter Fluggeräte in den Luftraum wird zukünftig nur durch effizientere, emissionsfreie und klimaneutrale Lufttransport- und Produktionssysteme bedient werden können.

Vorrangiges Ziel für den Bereich Digitalisierte und effiziente Fertigungstechnologien ist die Reduktion des Primärenergiebedarfs und die Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit und Ressourceneffizienz des Luftfahrzeugs.

Hierbei werden grundsätzlich mittelfristig bis 2035 folgende primäre Zielgrößen angestrebt:

Reduktion des Gewichts um 40 %
Reduzierung des Energiebedarfs um 50 %
Reduzierung der Fertigungskosten und -zeiten um 50%.

Gleichzeitig bleiben die weiteren Ziele zur Beibehaltung der hohen Sicherheit und zur Reduzierung des wahrgenommenen Lärms um 50 % erhalten.

Ein geringerer Energiebedarf des Flugzeugs, insbesondere durch Gewichtsreduzierung, wirkt sich dabei direkt in einem geringeren Verbrauch der Antriebssysteme aus, reduziert Restemissionen und kompensiert die höheren Kosten künftiger Energieträger. Die Reduzierung der Fertigungskosten und -zeiten trägt zusätzlich zur Kompensation der höheren Kosten künftiger Energieträger bei.

Ein weiteres großes Potential, die Klimawirkung des Flugverkehrs zu senken, bietet die Reduktion der Nicht-CO2-Effekte – insbesondere durch geeignete Flugrouten auf der Lang- und Mittelstrecke. Um in den nächsten Jahren die kommerzielle Umsetzbarkeit und Wirksamkeit von klimaoptimierten Flugrouten nachzuweisen, bedarf es politischer Rahmenbedingungen und der Einführung technischer Neuerungen. Dazu gehören zunehmende Automatisierung und Standardisierung im Flugzeug, im Luftverkehrsmanagement und in der Flugführung.

Vor diesem Hintergrund werden im Luftfahrtforschungsprogramm Technologieentwicklungen unterstützt, die das Fliegen nachhaltig, klimaneutral und sicher machen. Als Orientierungsmarken dienen fünf Zeithorizonte in den vorrangigen Flugzeugklassen. Kurze Umsetzungshorizonte werden bei unbemannten Fluggeräten ermöglicht. Darauf folgen die CS-23 Klasse bis 2028, die Regionalflieger bis 2030, die Mittelstrecke bis 2035 und die Langstrecke bis 2045. Die ersten Technologiebausteine müssen mit einem Vorlauf von drei Jahren ab 2025 validiert sein. Die entwickelten technischen Lösungen und Konzepte stellen einen wesentlichen Beitrag für einen nachhaltigen Luftverkehr dar und stärken somit die Wettbewerbsposition des Luftfahrtstandorts Deutschland.