Peter-Dornier-Stiftungspreis 2026 Faserverbunde mit weniger Poren und höherer Impact-Toleranz

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Zwei Nachwuchsforschende wurden für Arbeiten zur Porenminimierung im RTM-Verfahren und zur höheren Schadenstoleranz von 3D-Geweben ausgezeichnet. Ihre Ergebnisse könnten leichtere und belastbarere Faserverbundbauteile ermöglichen.

Dr.-Ing. Benedikt Neitzel von der Technischen Universität Ilmenau und Johanna Buschmann, M.Sc., vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben Mitte Juli den Peter-Dornier-Stiftungspreis 2026 erhalten. Neitzel wurde für seine Doktorarbeit zur Porenminimierung im Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM) ausgezeichnet, Buschmann für ihre Masterarbeit zur Impact-Toleranz von 3D-Geweben im Vergleich zu klassischen 2D-Laminaten. Die Preisverleihung fand im Technikum des Unternehmensbereichs Composite Systems von Lindauer Dornier statt.

Weniger Poren in Faserverbundbauteilen

Carbon- und glasfaserverstärkte Kunststoffe, kurz CFK und GFK, können Bauteile leicht und zugleich belastbar machen. Damit sie ihre mechanischen Eigenschaften vollständig erreichen, müssen sich Fasern und Kunstharz bei der Herstellung möglichst gleichmäßig verbinden. Beim RTM-Verfahren werden trockene Faserhalbzeuge in eine Form eingelegt und anschließend mit Harz durchtränkt.

Dabei können mikroskopisch kleine Poren entstehen. Solche Lufteinschlüsse schwächen das Bauteil und können seine Lebensdauer verringern. „Das Harz trifft im Gewebe auf lokale Fließwiderstände und wird dadurch unerwünscht umgelenkt“, erklärt Neitzel, Senior Research Scientist an der TU Ilmenau. Dadurch kann Luft eingeschlossen werden.

In der industriellen Praxis werden mögliche Poren häufig durch Sicherheitsreserven bei der Bauteilauslegung berücksichtigt. Das führt zu schwereren Konstruktionen. Wird eine zulässige Toleranzgrenze überschritten, kann das Bauteil zudem als Ausschuss gelten. Besonders bei Carbonfasern ist das mit hohen Kosten verbunden.

Prozesssteuerung gegen Lufteinschlüsse

In seiner ausgezeichneten Doktorarbeit entwickelte Neitzel eine Berechnungsmethode, mit der sich die Entstehung von Poren im RTM-Verfahren besser vorhersagen lässt. Grundlage ist die Analyse der Permeabilität textiler Halbzeuge. Sie beschreibt, wie gut ein flüssiges Harz durch ein Fasergewebe strömen kann.

Zusätzlich entwickelte Neitzel eine automatische Prozesssteuerung, die Lufteinschlüsse während der Herstellung aktiv vermeiden soll. „Wir konnten den Porengehalt in Probekörpern um bis zu 87,5 Prozent senken“, sagt Neitzel.

Porenärmere Bauteile könnten künftig dünner und leichter ausgelegt werden. Das wäre insbesondere in der Luftfahrt relevant, da dort jede Gewichtseinsparung den Treibstoffverbrauch beeinflussen kann. Weitere mögliche Einsatzfelder liegen im Maschinenbau und in der Medizintechnik.

Nach Angaben von Neitzel erfordert die Methode keine umfangreichen zusätzlichen Messreihen. „Ingenieure können meine Arbeit heute lesen und morgen anwenden“, sagt der Materialforscher. Die Berechnungsmethode soll in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Folgeprojekt auf weitere Faserstrukturen übertragen werden.

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3D-Gewebe widerstehen Einschlägen besser

Die zweite ausgezeichnete Arbeit befasst sich mit der Schadenstoleranz von Faserverbundbauteilen. Moderne Flugzeuge bestehen zu großen Teilen aus CFK, das meist in Form schichtweise aufgebauter 2D-Laminate verarbeitet wird. Bei diesen Laminaten verlaufen die Fasern überwiegend innerhalb der einzelnen Schichten.

In Dickenrichtung, also senkrecht zu den Schichten, sind 2D-Laminate deshalb weniger belastbar. Einschläge durch Vögel, Hagel oder fallengelassene Werkzeuge können Schichttrennungen, sogenannte Delaminationen, und Risse verursachen. Diese Schäden sind von außen häufig kaum zu erkennen, können die Tragfähigkeit des Bauteils aber deutlich verringern.

Bei 3D-Geweben verlaufen die Fasern zusätzlich in der dritten Dimension, der sogenannten z-Richtung. Dadurch sind die einzelnen Schichten besser miteinander verbunden. 3D-Preforms werden deshalb bereits in Bereichen eingesetzt, in denen eine hohe Schadenstoleranz erforderlich ist. Beispiele sind Fanschaufeln von LEAP-Triebwerken sowie hochbelastete Verbindungspunkte des NASA-Raumschiffs Orion.

Höhere Resttragfähigkeit nach Impact

In ihrer am DLR angefertigten Masterarbeit verglich Buschmann klassische 2D-Gewebe mit 3D-CFK-Preforms. Untersucht wurden dabei die Varianten Layer-to-Layer und Angle-Interlock XY. Die Proben wurden gezielten Einschlägen ausgesetzt, anschließend analysierten die Forschenden unter anderem die Energieaufnahme, die Delamination und die verbleibende Druckfestigkeit.

Die Versuche zeigten, dass die 3D-Gewebe bei einem Impact mehr Energie aufnahmen und weniger zur Schichttrennung neigten. Bei einem Einschlag mit 15 Joule, einer Energie in der Größenordnung eines stärkeren Hagelkorns, verlor das 2D-Gewebe rund 54 Prozent seiner Druckfestigkeit. Bei den untersuchten 3D-Geweben lagen die Einbußen zwischen 28 und 40 Prozent.

„Das zeigt: Der Einsatz von 3D-Preforms kann die Resttragfähigkeit und Impact-Toleranz von Composites erhöhen“, sagt Buschmann. Für die Luft- und Raumfahrt könnte das dazu beitragen, Schäden nach Einschlägen besser zu beherrschen und Reparaturen oder den Austausch von Bauteilen zu vermeiden. Eine längere Nutzungsdauer der Bauteile könnte sich zudem positiv auf die Nachhaltigkeit auswirken.

Forschung mit praktischem Bezug

Die Kuratoren des Peter-Dornier-Stiftungspreises würdigten beide Arbeiten als wissenschaftlich und praktisch relevante Beiträge zur Weiterentwicklung der Faserverbundtechnologie. Neitzels Arbeit verbessert die Berechnung und Steuerung des RTM-Prozesses. Buschmanns Untersuchung liefert Materialkennwerte für den Einsatz von 3D-Geweben in belasteten Bauteilen.

„Meine Dissertation liefert keine Superlative, sondern Handwerkszeug, um das Leben von Prozessingenieuren zu erleichtern“, sagte Neitzel bei der Preisverleihung. Buschmann sieht die Auszeichnung als zusätzliche Motivation, im Bereich Luft- und Raumfahrt weiterzuforschen.

Die Preisverleihung fand Mitte Juli im Technikum des Unternehmensbereichs Composite Systems von Lindauer Dornier statt. Die für die ausgezeichneten Arbeiten verwendeten Gewebe wurden bei Kunden auf Dornier-Webmaschinen hergestellt. Damit stehen die prämierten Forschungsergebnisse in direktem Zusammenhang mit den Webtechnologien für Glas- und Carbonfasern, die das Unternehmen seit Jahrzehnten entwickelt. Die Kuratoren des Peter-Dornier-Stiftungspreises würdigten beide Arbeiten als wissenschaftlich und praktisch relevante Beiträge zur Weiterentwicklung der Faserverbundtechnologie.