effizienz und Substitution
3.1.3 Legierungen für den AirframeLeichtbau
3.1.3.1 Technologiebeschreibung
Der Airframe stellt die mechanische Struktur eines Flugzeuges dar. Diese beinhaltet Rumpf, Trag-flächen, Triebwerksgondel, Verkleidung, Heck und Fahrgestell (s. Abb. 3.2 und AViAtion sAFety
bureAu 2007). Bei der Entwicklung neuer Flug-zeugmodelle spielt die Optimierung der für den Airframe verwendeten Werkstoffe eine bedeu-tende Rolle. Grundlegende Voraussetzungen für ein geeignetes Material sind eine hohe Korrosi-ons- sowie Ermüdungsbeständigkeit, Schadens-toleranz, Steifigkeit und Festigkeit. Besonders wichtig ist die möglichst geringe Dichte des Mate-rials, die zur Gewichtsreduktion des Flugzeugs und somit zu Treibstoffeinsparungen führt. Per-formanz, Gewicht und Kosten geeigneter Mate-rialien müssen dann erwogen werden. Aufgrund ihrer Leichtigkeit waren Aluminiumlegierungen jahrzehntelang die dominierenden Werkstoffe im Airframe-Leichtbau. Diese sind aber starker Kon-kurrenz von Verbundwerkstoffen ausgesetzt, die in neu entwickelten Airframes zunehmend einen großen Anteil der Flugzeugstruktur ausmachen (Frost & sulliVAn 2016; AIRBUS 2018; Frost &
sulliVAn 2019).
Abb. 3.2: Schematische Darstellung des Airframes eines Passagierflugzeugs, bestehend aus Rumpf, Tragflächen, Triebwerksgondel, Verkleidung, Heck und Fahrgestell
(Quelle: mit freundlicher Genehmigung von E. Tercero Daschner)
3.1.3.2 Rohstoffinhalt
Legierungen
Aluminiumlegierungen haben sich für den Air-frame-Leichtbau bewährt. Trotz des beachtlichen Anstiegs in der Nutzung von Verbundwerkstoffen in neueren Flugzeugmodellen (s. unten), bleiben Aluminiumlegierungen das meistbenutzte Material im Flugzeugbau (Frost & sulliVAn 2016; Frost
& sulliVAn 2019). Dies ist auf die große Zahl an Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen (z. B. die Air-bus 320-Familie und Boeing 737) im Vergleich zu Großraumflugzeugen zurückzuführen (s. Abb.
3.3). In Regionalflugzeugen wird Aluminium auch in neueren Entwicklungen zumindest teilweise bevorzugt (MrAz 2014; MoriMoto et al. 2017).
Herkömmliche Aluminiumwerkstoffe müssen genietet werden. Neuere Entwicklungen, insb.
Aluminium-Lithium-Legierungen (Al-Li), erlauben jedoch das Schweißen mit Lasern und/oder durch Rührreibschweißen, was erhebliche Kostenein-sparungen ermöglicht (Angerer et al. 2009; siehe z. B. constelliuM 2017c; constelliuM 2017f). Die Zugabe von Scandium (Sc) erlaubt ebenfalls das Schweißen mit Lasern (Angerer et al. 2009). Auf-grund des hohen Scandiumpreises sind Al-Sc-Le gierungen im Flugzeugbau jedoch gegenwärtig nicht konkurrenzfähig und werden lediglich in Nischenmärkten benutzt (dJuKAnoVic 2017; dorin
et al. 2018).
Anders als Al-Sc-Legierungen gewinnen Al-Li-Legierungen an Bedeutung und werden als
Ble-che, Platten oder Gussteile kommerziell verwen-det, z. B. in der Boeing 787 und im Airbus A350 XWB und A380 (constelliuM o. J.; constelliuM
2013; AluMiniuM-Messe 2014; Arconic 2020). Die gewichtssparenden Aluminiumbauteile können ohne oder mit nur geringen Änderungen an der Flugzeugkonstruktion in bestehende Baureihen eingefügt werden (AluMiniuM-Messe 2014). Die Zusammensetzung einiger kommerziell erhältli-chen Al-Li-Legierungen wird in Tab. 3.7 gezeigt.
Titan und seine Legierungen haben ebenfalls einen festen Platz im Flugzeugbau aufgrund ihrer geringen Dichte, hoher Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit auch bei erhöhten Temperaturen (Frost & sulliVAn 2016; PerVAiz et al. 2019).
Titanlegierungen werden in Verbundwerkstoff-konstruktionen bevorzugt, da es an der Verbin-dung zwischen Aluminium- und Verbundwerkstoff-bauteilen zu Korrosion kommt. Folglich steigt die Verwendung von Titan mit steigender Verwendung von Verbundwerkstoffen (AIRBUS 2018). Von frü-her unter 10 % Gewichtsanteil (sibuM et al. 2003-2020) erreicht der Gewichtsanteil an Titan- und Titanlegierungen in der Verbundwerkstoffreichen Boeing 787 und dem Airbus A350 XWB 14 – 15 % (dursun & soutis 2014; Frost & sulliVAn 2016).
Die Verarbeitung von Metallbauteilen für den Flugzeugbau ist traditionell subtraktiv: massive Metallhalbzeuge werden vielfach zur gewünsch-ten Endform gefräst (lóPez de lAcAlle et al.
2011). Dadurch wird weit über 80 % des Materials entfernt (lóPez de lAcAlle et al. 2011; AIRBUS 2018). Dies ändert sich im Moment durch den
Tab. 3.7: Legierungsbestandteile einiger kommerziell erhältlicher Aluminium-Lithium-Legierungen (Quellen: CONStellium 2017a, CONStellium 2017b, CONStellium 2017c, CONStellium 2017d, CONStellium 2017e, CONStellium 2017f, CONStellium 2017g)
Legierung Li Cu Mn Mg Ag Zr
2098 0,8 – 1,3 % 3,2 – 3,8 % Max. 0,35 % 0,25 – 0,80 % 0,25 – 0,60 % 0,04 – 0,18 % 2195 0,8 – 1,2 % 3,7 – 4,3 % Max. 0,25 % 0,25 – 0,80 % 0,25 – 0,60 % 0,08 – 0,16 % 2065 0,8 – 1,5 % 3,8 – 4,7 % 0,15 – 0,50 % 0,25 – 0,80 % 0,15 – 0,50 % 0,05 – 0,15 % 2198 0,8 – 1,1 % 2,9 – 3,5 % Max. 0,50 % 0,25 – 0,80 % 0,10 – 0,50 % 0,04 – 0,18 % 2196 1,4 – 2,1 % 2,5 – 3,3 % Max. 0,35 % 0,25 – 0,80 % 0,25 – 0,60 % Max. 0,35 % 2050 0,7 – 1,3 % 3,2 – 3,9 % 0,20 – 0,50 % 0,20 – 0,60 % 0,20 – 0,70 % 0,06 – 0,14 % 2297 1,1 – 1,7 % 2,5 – 3,1 % 0,10 – 0,50 % Max. 0,25 % 0,08 – 0,15 % Anmerkungen: Alle dargestellten Legierungen enthalten auch bis zu 0,12 % Si und bis zu 0,15 % Fe; die meisten davon ebenfalls bis zu 0,10 % Ti und bis zu 0,35 % Zn.
Einsatz von additiven Fertigungsverfahren (AIR-BUS 2018). Hierfür werden Titanlegierungen aber auch Aluminiumlegierungen entwickelt und bereits kommerziell angeboten (APWorKs o. J.; AIRBUS GROUP 2015; MetAl AM 2020).
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) Hochleistungs-Al-Legierungen bleiben weiterhin ein wichtiger Bestandteil im zivilen Flugzeugrah-menbau, verlieren aber ihre eindeutige Dominanz durch die vermehrt eingesetzten Verbundwerk-stoffe, wobei es sich hauptsächlich um kohlen-stofffaserverstärkte Kunststoffe handelt (dur
-sun & soutis 2014). Diese Kompositmaterialien sind mit ca. 50 Gew.-% (AIRWISE 2013) bereits Hauptbestandteile der Großraumflugzeuge Boe-ing 787 Dreamliner (Erstflug: 2009) und Airbus A350 (Erstflug: 2013). Al-Legierungen machen nur noch 20 Gew.-% aus. Das vor dem A350 fer-tig gestellte Airbus-Modell A380 (Erstflug: 2005) besteht noch zu 25 Gew.-% aus Verbundwerkstof-fen, wovon 85 Gew.-% CFKs sind (WoidAsKy &
JeAnVré 2015). Abb. 3.3 zeigt den Verbundwerk-stoffanteil verschiedener Flugzeugmodelle von Airbus und Boeing. Da Schmalrumpf-Flugzeuge auch dünnere Bleche für die Außenhaut benö-tigen, ist dort die Gewichtseinsparung durch die Nutzung von Verbundwerkstoffen auch geringer (sloAn 2020), und diese kleinere, deutlich
häufi-ger verkauften Modelle bestehen hauptsächlich aus Aluminiumlegierungen (s. Abb. 3.3). Darüber hinaus ist die Produktion von Verbundwerkstoff-teilen in der erforderlichen Stückzahl für die Air-bus A320-Familie und Boeing 373-Serie mit der gegenwärtig dominierenden Technologie nicht möglich. Die Entwicklung entsprechender Lösun-gen wird vorangetrieben (sloAn 2020).
3.1.3.3 Foresight Industrielle Nutzung
Die drei Flugzeughersteller Airbus, Boeing und Bombardier stellen und veröffentlichen detaillierte Prognosen für die globalen Flugzeugmärkte. In den neuesten Auflagen gehen alle drei von ste-tigem und starkem Wachstum der Flugzeugnach-frage aus, gestützt v. a. auf Wirtschaftswachstum sowie einer Vielzahl anderer Treiber (boMbArdier
2017; AIRBUS 2019a; boeing 2019a). Die Erwar-tung ist eine etwas mehr als Verdoppelung der Flugzeugflotte in den kommenden 20 Jahren.
Das Wachstum der Flugzeugflotte wird v. a. von Schmalrumpfflugzeugen getrieben, die ihren gro-ßen Anteil (derzeit ca. 70 %) an der Flugzeugflotte sogar ausbauen sollen.
Noch vor dem Ausbruch der Covid-19-Pande-mie thematisierten Airbus und Boeing die Resi-lienz des Flugverkehrssektor anhand historischer
Verbundwerkstoffe in der Flugzeugstruktur/Gew.-% Gelieferte Flugzeuge in 2018
90 70 50 30
10
0 B737 B747 B767 B777 B787 A320 A330 A350 A380
600 500 400 300 200 100 0
Abb. 3.3: Verbundwerkstoffanteil im Airframe aktueller Flugzeugmodelle von Airbus und Boeing und die entsprechende Anzahl an ausgelieferten Flugzeugen im Jahr 2018
Daten vergangener geopolitischer und wirtschaft-licher Krisen (AIRBUS 2019a; boeing 2019a).
Diese Krisen hatten den Effekt, dass die Passa-gierzahlen für 1 bis 3 Jahre stagnierten bzw. leicht zurückgingen, um danach wieder das gleiche bzw. sogar stärkere Wachstum zu zeigen. Die Covid-19-Pandemie ist jedoch andersartig und hat bisher zu einem starken Einbruch, nicht Stag-nation, der Passagierzahlen geführt. Die Flug-zeugproduktion bei beiden großen Herstellern ist in der ersten Hälfte des Jahres 2020 stark gesun-ken (ca. 40% für Airbus, über 50% für Boeing in Q1 2020; Argus MediA 2020). Es ist deshalb zu erwarten, dass die Effekte deutlicher und länger anhaltend sein werden, so dass die erst kürzlich veröffentlichten Prognosen trotz historischer Resi-lienz des Sektors aus heutiger Sicht eher optimis-tisch erscheinen.
Für die Abschätzung des Passagier-Flugzeug-marktes wurden folgende Annahmen getroffen:
– Flugzeugkategorien wie bei Boeing (boeing
2019a): Schmalrumpf- und Großraumflug-zeuge, da diese besser mit der Flugzeugzu-sammensetzung korrelieren als die von Airbus genutzte Kategorien (klein, mittel, groß), weil die mittlere Kategorie nicht nur Aluminium- sondern auch CFK-lastige Flugzeuge beinhal-tet.
– Wachstumsrate der Flugzeuglieferungen:
2,7 % für Schmalrumpf- und 0,9 % für Groß-raumflugzeuge basierend auf den Prognosen von AIRBUS (2019a) und boeing (2019a).
– Covid-19-Anpassung: 40 % Einbruch in Flug-zeuglieferungen in 2020, wobei der Einbruch bei Schmalrumpfflugzeugen stärker ausfällt als bei Großraumflugzeugen, und Steigung zum „normalen“ Verlauf bis 2024. Dies ergibt insgesamt 11 % weniger Flugzeuglieferungen in 2040 (ca. 1.900 Schmalrumpf- sowie ca.
440 Großraumflugzeuge) verglichen mit den Prognosen in AIRBUS (2019a) und boeing
(2019a) und vergleichbar mit boeing (2020).
– Es wird angenommen, dass die Prognosen der Flugzeughersteller am ehesten dem SSP2-Szenario entsprechen. Da Flugzeug-lieferungen mit dem Wirtschaftswachstum gut korrelieren, wird das Szenario in Abb. 3.4 zunächst mit Hilfe der BIP-Szenarien (dellinK
et al. 2017; riAhi et al. 2017) skaliert. Beim SSP5 „Fossiler Pfad“ wird mit einer wesent-lich stärkeren Zunahme des Flugverkehrs gerechnet, getrieben durch sehr starkes Wirtschaftswachstum gekoppelt mit schwach ausgeprägtem Umweltbewusstsein (vgl.
Tab. 1.2), so dass sich für das Jahr 2040 ein Bedarf von ca. 3.250 (statt 2.350 in SSP2) Flugzeugen ergibt. Im SSP1-Szenario fällt die Zunahme des Flugverkehrs trotz hohem Wirtschaftswachstum aufgrund des großen Umweltbewusstseins nicht so stark aus, so dass der Bedarf an neuen Flugzeugen auf insgesamt ca. 2.200 beziffert wird.
3.1.3.4 Foresight Rohstoffbedarf
Die Luftfahrtbranche wird bis 2040 weiterhin eine breite Mischung aus Materialien benutzen (vgl.
AIRBUS 2018). Derzeit ergibt sich eine gewisse Zweiteilung, in der Großraumflugzeuge bevor-zugt Verbundwerkstoffe und Schmalrumpfflug-zeuge bevorzugt Aluminiumwerkstoffe benutzen.
Allerdings ist in diesem Zeitraum ein Neudesign der verkaufsstarken Airbus A320 und Boeing 737 (bei Schmalrumpfflugzeugen) zu erwarten, und diese könnten einen vermehrten Einsatz von Ver-bundwerkstoffen zulasten von Aluminium mit sich bringen (sloAn 2020). Allerdings spielt bei der Materialwahl nicht nur Gewicht eine Rolle, auch
Gelieferte Flugzeuge
2.000 Schmalrumpf
Großraum 1.500
1.000
500
0
2020 2030 2040
Abb. 3.4: Angenommene Flugzeuglieferungen bis 2040 im SSP2-Szenario
(Quelle: geändert nach AIRBUS (2019a) und bOeiNg (2019a); siehe Erläuterungen im Text)
neuere Entwicklungen in Schmalrumpfflugzeugen setzen auf Aluminium statt auf Verbundwerkstoffe (MoriMoto et al. 2017; AIRBUS 2018). Durch den vermehrten Einsatz von 3D-Druck in der Flug-zeugherstellung entstehen neue Möglichkeiten für Metalllegierungen (AIRBUS 2018).
Es wird deshalb angenommen, dass im Schmal-rumpfflugzeugsegment Aluminiumwerkstoffe bis 2040 den Flugzeugrahmenbau dominieren. Des Weiteren wird unterstellt, dass Al-Li-Legierun-gen bis 2040 herkömmliche Aluminiumwerkstoffe ablösen. Für das Großraumflugzeugsegment wird angenommen, dass die Dominanz von Verbund-werkstoffen sich bis 2040 festigen und der Mate-rialmix näherungsweise dem des A350 XWB und B787 entsprechen wird.
Die genauen Anteile der Legierungselemente in Al-Li-Legierungen sind in der Regel Betriebs-geheimnis. Um eine ungefähre Größenordnung des Lithiumbedarfs für Al-Li-Legierungen im Flug-zeugrahmenbau zu ermitteln, wird sich an den Produktdaten der Tab. 3.7 orientiert, die eine breite Palette an Aufgaben im Flugzeugrahmen-bau abdecken. Die Mittelwerte der angegebe-nen Konzentrationsbereiche sind 1,2 % Li, 3,5 % Cu, 0,25 % Mn, 0,5 % Mg, 0,35 % Ag und 0,1 %
Zr. Titanlegierungen werden vereinfacht als Titan betrachtet.
Der Einfluss der Covid-19-Pandemie wird ver-einfacht wie folgt modelliert: 40 % Rückgang in der Flugzeugherstellung in 2020 im Vergleich zu 2019, mit Rückkehr zum Vorkrisenniveau im Jahr 2024. Danach wird das Wachstum angelehnt an die Wachstumsprognosen der großen Flugzeug-hersteller berechnet (s. Abb. 3.4). Die Differenz in den Rohstoffbedarfen zwischen den Vor-Covid-19-Prognosen der Flugzeughersteller und der ein-fachen Covid-19-Anpassung im SSP2-Szenario beträgt im Jahr 2040, je nach Material, 9 – 12 %.
Das Zusammenspiel dieser Annahmen und Szenarien ergibt für das Jahr 2040 Bedarfe von 330.000 bis 480.000 t Al, 4.200 bis 6.200 t Li, 12.000 bis 18.000 t Cu, 1.700 bis 2.600 t Mg, 1.200 bis 1.800 t Ag und 75.000 bis 110.000 t Titan. Kupfer wird auch heute schon in Alumini-umlegierungen eingesetzt. Diese Abschätzungen beziehen sich auf die für die Flugzeugrumpfher-stellung notwendigen Rohstoffe, nicht auf den Rohstoffinhalt der Flugzeuge. Insbesondere bei metallischen Werkstoffen wird viel Produktionsab-fall generiert (AIRBUS 2018).
Tab. 3.9: Globale Produktion (BGR 2021) und ermittelte Rohstoffbedarfe für Airframe-Leichtbau-Legierungen in t
Rohstoff Produktion 2018 Bedarf 2018
Bedarfsvorschau 2040 NachhaltigkeitSSP1 SSP2
Mittelweg SSP5 Fossiler Pfad Kupfer 20.590.600 (B)
24.137.000 (R) 11.000 12.000 13.000 18.000
Lithium 95.170 (B) gering 4.200 4.400 6.200
Silber 28.083 (B) gering 1.200 1.300 1.800
Titan 260.548 (R) 57.000 75.000 80.000 110.000
B: Bergwerksförderung (t Inh.) R: Raffinadeproduktion (t Inh.)
Tab. 3.8: Annahmen zur Airframezusammensetzung (Anteile an Aluminiumlegierungen, Stahl, Titan und Titanlegierungen sowie Verbundwerkstoffe im Jahr 2040)
Kategorie Leergewicht Al Stahl Ti Verbundwerkstoffe
Schmalrumpf 40 t 72 % 10 % 12 % 6 %
Großraum 110 t 20 % 8 % 15 % 51 %
3.1.3.5 Recycling, Ressourcen
effizienz und Substitution
Das Recycling von Aluminiumlegierungen aus dem Flugzeugbau ist bereits gut etabliert. Dies folgt von dem ungünstigen Verhältnis zwischen eingekauftem Material und Material im Endpro-dukt (das sog. Buy-to-Fly-Verhältnis, AIRBUS 2018) sowie dem hohen intrinsischen Wert der Legierungen. Aluminiumlieferanten für den Flug-zeugbau benutzen deshalb nur ca. 25 % Primär-aluminium und 75 % Produktionsschrotte (MichA
-els 2018). Aluminiumrecycling aus Altprodukten ist ebenfalls etabliert. Die Entsorgung von Altflug-zeugen bzw. Komponenten davon ist v. a. durch strenge Vorschriften bzw. Nachverfolgbarkeit und Dokumentation geprägt. Dabei ist der Wert bei Wiederverwendung der Teile um ein Vielfaches höher als der Materialwert. Durch Identifikation und Getrennthaltung ist die Wiedergewinnung hochwertiger Al-Legierungen aus Altflugzeugen möglich. Diese werden jedoch nicht in Strukturtei-len wiederverwendet (WoidAsKy & JeAnVré 2015;
WoidAsKy et al. 2017). Außerdem entwickeln sich die Legierungen mit der Zeit weiter und sind somit heute nicht notwendigerweise für die ursprünglich vorgesehene Funktion nutzbar.
Mit der Verschrottung größerer Mengen von Flugzeugen mit nennenswerten Anteilen an Ver-bundwerkstoffen wird erst nach 2030 gerechnet.
Zurzeit entstehen deshalb vor allem Produktions-schrotte von Verbundwerkstoffen, aber deren Menge ist als vergleichsweise gering einzuschät-zen (AIRBUS 2018). Darüber hinaus ist das Recy-cling oder Entsorgung von Verbundwerkstoffen generell mit vielerlei technischen Schwierigkeiten verbunden. In diesem Bereich bestehen Paralle-len zum Bau von Windkraftanlagen. An das Recy-cling von diesen Materialien wird derzeit aktiv geforscht.
Es ist zu erwarten, dass die stärkere Nutzung von additiven Verfahren zu besseren Buy-to-Fly-Ver-hältnissen führen werden (AIRBUS 2018). Ange-sichts der hohen Recyclingraten bei Produktions-schrotten sollte der Effekt für die Primärnachfrage gering bleiben.