Marktbericht zu Verbundwerkstoffen für Flugzeugtriebwerke: Größe, Marktanteil und Trendanalyse nach Anwendungen (Verkehrsflugzeuge, Militärflugzeuge, Allgemeine Luftfahrt), Komponenten (Lüfterschaufeln, Lüftergehäuse, Leitschaufeln, Verkleidungen, Sonstige Komponenten) und Region (Nordamerika, Europa, Asien-Pazifik, Naher Osten und Afrika, Lateinamerika) – Prognosen für 2025–2033

Wachstumsfaktor für den Markt für Verbundwerkstoffe in Flugzeugtriebwerken

Technologische Entwicklungen bei Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen (CMC)

Das Triebwerk ist die komplexeste Komponente eines Flugzeugs und besteht aus zahlreichen, unterschiedlich komplexen Bauteilen. Selbst bei den kleinsten Komponenten haben Design- und Materialoptimierungen die Gesamtleistung eines Triebwerks deutlich verbessert. Moderne Verbundwerkstoffe, die heute in vielen Bereichen des modernen Flugzeugbaus weit verbreitet sind, haben maßgeblich zu den jüngsten Leistungssteigerungen beigetragen. Die Weiterentwicklung von Fertigungsmaterialien und die Verbesserung der Triebwerkstechnologie werden entscheidend sein, um die nächste Generation von Flugzeugen mit höherer Wirtschaftlichkeit zu entwickeln.

Die neuesten Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMCs) erweisen sich zunehmend als geeignet für den Einsatz in Turbomotoren und versprechen deutliche Leistungs- und Emissionsverbesserungen. Diese Innovationstätigkeit wird durch die Bemühungen der Regierung zur Minimierung der Luftverschmutzung und zur Steigerung der Kraftstoffeffizienz vorangetrieben. Daher arbeiten die Hersteller daran, die Triebwerke insgesamt leichter zu machen, ohne dabei ihre Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen und den Schub pro Kraftstoffeinheit zu erhöhen.

Marktbeschränkung

Rückgang der Auslieferungen von Verkehrsflugzeugen

Die Bestellungen für die Getriebefan-Triebwerke PW1000G von Pratt & Whitney und andere große Verkehrsflugzeugtriebwerke gingen 2020 um 27 % zurück. Im Gegensatz dazu lieferte der Turboprop-Triebwerkshersteller Pratt & Whitney Canada 2020 1.650 Triebwerke aus, ein Rückgang von 30 % gegenüber 2019. Obwohl die COVID-19-Pandemie die Lieferkette der Luftfahrtindustrie beeinflusste, bestanden einige Probleme bereits vor der Pandemie. Die Zuverlässigkeit der Zulieferer wurde für Triebwerkshersteller zu einem erheblichen Problem, da sie auf Drittanbieter angewiesen waren. Die Nutzung mehrerer Lieferanten ist heute ein entscheidender Faktor, um sicherzustellen, dass das Programm flexibel genug ist, um unerwünschte Abweichungen in den unteren Ebenen der Lieferkette zu bewältigen.

Anfang 2018 lag die Produktion aufgrund von Qualitätsproblemen in der Lieferkette von CFM einen Monat hinter dem Plan zurück. Trotz einer Strategie mit mehreren Lieferanten für wichtige Komponenten und Materialien hatte das Unternehmen Schwierigkeiten, die Erstausbeute und die Durchlaufzeiten einzuhalten. Die Auslieferungen der Boeing 737 MAX und des Airbus A320neo, der meistproduzierten und -gelieferten Flugzeuge der OEMs, verzögerten sich aufgrund der Lieferung der LEAP-Triebwerke von CFM International. Probleme in der Lieferkette im Bereich Schmieden und Gießen trugen maßgeblich zu dieser Verzögerung bei. Laut CFM International wurden die Lieferungen der Leap-1A-Triebwerke an die A320neo-Montagelinie schließlich Anfang 2019 abgeschlossen.

Marktchance

Entwicklung von Motoren der neuen Generation zur Unterstützung der Verwendung von Verbundwerkstoffen

Seit Beginn der kommerziellen Luftfahrt konzentrieren sich Fluggesellschaften auf den Einsatz von Triebwerken mit höherer Treibstoffeffizienz und geringeren Gesamtbetriebskosten. Um die Leistung zu steigern und die Reichweite von Flugzeugen zu erhöhen, unternehmen Triebwerks- und Flugzeughersteller erhebliche Anstrengungen zur Integration. Moderne Triebwerke sind technische Meisterleistungen aus langlebigen, hochentwickelten Materialien, die Leistung gewährleisten, ohne die Lebensdauer zu verkürzen. Die neueren CFM LEAP-Triebwerke verwenden verschiedene Verbundwerkstoffteile, darunter ein Verbundwerkstoff-Lüfterblatt, ein Gehäuse, Plattformen und Abstandshalter, um im Vergleich zu Konstruktionen ohne Verbundwerkstoffe eine deutliche Gewichtsreduzierung zu erzielen. Diese Triebwerke werden mittlerweile in vielen Flugzeugmodellen verbaut, darunter die COMAC C919, der Airbus A320 und die Boeing 737. Diese Gewichtsreduzierung führt zu einem geringeren Treibstoffverbrauch und reduzierten Triebwerksemissionen.

GE, ein Pionier in der Verbundwerkstoff-Technologie für Triebwerkschaufeln, entwickelte die vierte Generation von Schaufeln für das GE9X, das bisher umfangreichste Triebwerk des Unternehmens, das speziell für Boeings Großraumflugzeug der nächsten Generation, die 777X, konstruiert wurde. Das Triebwerk besteht aus sechzehn Verbundwerkstoff-Lüfterschaufeln mit einem Durchmesser von 3,35 Metern. Auch die Brennkammer und die Turbinen des Triebwerks sind aus leichten und langlebigen Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen gefertigt. Diese Entwicklungen dürften die zukünftige Nachfrage nach Verbundwerkstoff-Triebwerkskomponenten ankurbeln.

Regionalanalyse

Der asiatisch-pazifische Raum ist der bedeutendste Anteilseigner am globalen Markt für Verbundwerkstoffe für Flugzeugtriebwerke und wird voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 15,70 % wachsen. Im Prognosezeitraum hat Chinas kommerzielle Luftfahrtindustrie in den vergangenen Jahren im asiatisch-pazifischen Raum bedeutende Erfolge und Fortschritte erzielt. Zu den führenden Fluggesellschaften Chinas zählen Air China, China Southern Airlines, China Eastern Airlines und Hainan Airlines. Im Jahr 2020 überholte China die USA und wurde zum größten Luftfahrtmarkt der Welt. Die chinesische Zivilluftfahrtbehörde berichtete, dass aufgrund der COVID-19-Pandemie im Jahr 2020 420 Millionen Passagiere befördert wurden, ein Rückgang von 36,7 % gegenüber 2019. Für 2021 wurde ein deutlicher Anstieg des Passagieraufkommens prognostiziert, da im vierten Quartal 2020 internationale Flüge wieder aufgenommen wurden. Darüber hinaus treibt die Expansion der Luftfahrtindustrie die Nachfrage chinesischer Fluggesellschaften nach neuen Flugzeugen an.

Markttrends in Nordamerika

Für Nordamerika wird ein jährliches Wachstum von 13,55 % erwartet, was im Prognosezeitraum zu einem Umsatz von 2.292,47 Millionen US-Dollar führen dürfte. Die Zahl der Reisenden in die und aus den USA hat im Laufe der Zeit zugenommen. Laut dem Bureau of Transportation Statistics beförderten US-amerikanische und internationale Fluggesellschaften im Jahr 2019 1.052,8 Millionen Passagiere im Linienverkehr, ein Plus von 3,9 % gegenüber dem Vorjahr. Im Jahr 2019 reisten 241,4 Millionen Passagiere international und 811,4 Millionen innerhalb der USA, was einem Anstieg von 4,3 % bzw. 2,4 % gegenüber 2018 entspricht. Die durch die COVID-19-Pandemie bedingte Unterbrechung des internationalen Flugverkehrs führte zu einem Rückgang des Passagieraufkommens. Seit der Wiederaufnahme des internationalen Flugverkehrs im vierten Quartal 2020 wird jedoch für 2021 ein deutlicher Anstieg der Passagierzahlen erwartet.

Markttrends in Europa

Für Europa wird im Prognosezeitraum ein deutliches Wachstum erwartet, bedingt durch diverse Übernahmen und Vereinbarungen zwischen bedeutenden Marktteilnehmern. So schlossen beispielsweise EasyJet (eine britische Billigfluggesellschaft) und Airbus eine Vereinbarung, die es EasyJet ermöglichte, ihre Kaufrechte für Festbestellungen von 17 A320NEO-Flugzeugen auszuüben. Das Unternehmen erwarb im November 2019 zwölf weitere A320NEO-Maschinen, wodurch sich die Gesamtbestellung für die NEOs auf 159 (darunter 30 A321neo) erhöhte. Die Auslieferung des ersten zusätzlichen A320NEOS-Flugzeugs ist für Anfang 2023 geplant. Darüber hinaus beabsichtigte der britische Triebwerksentwickler Rolls-Royce, ab 2020 CMCs (Composite Manufacturing Carbons) in großem Umfang in seinen Triebwerken der nächsten Generation einzusetzen.

Brasilien verzeichnet derzeit ein starkes Wachstum im Luftfahrtsektor. Die drei führenden brasilianischen Fluggesellschaften LATAM Airlines Brazil, GOL und Azul meldeten in den letzten Jahren einen deutlichen Anstieg des Passagieraufkommens. Laut Daten der brasilianischen Zivilluftfahrtbehörde (ANAC) reisten 2019 102,92 Millionen Menschen mit dem Flugzeug, gegenüber 102,11 Millionen im Jahr 2018. Für 2021 wird nach der Covid-19-Pandemie ein weiterer Anstieg erwartet. Die Regierung hat verschiedene Initiativen ins Leben gerufen, darunter die Erhöhung der Investitionen in die regionale Luftfahrt. Da zahlreiche führende Flugzeughersteller ihre Produktions- oder Reparaturwerke in Mexiko betreiben, hat sich das Land zu einem bevorzugten Produktions- und Wartungszentrum für die Luftfahrtindustrie entwickelt. Safran und Albany eröffneten im Februar 2018 ein neues Werk in Querétaro zur Herstellung von Verbundwerkstoffteilen für die LEAP-Triebwerke. Diese Faktoren dürften das Marktwachstum im Prognosezeitraum weiter ankurbeln.

Anwendungseinblicke

Der globale Markt ist in Verkehrsflugzeuge, Militärflugzeuge und die allgemeine Luftfahrt unterteilt. Das Segment der Verkehrsflugzeuge trägt am meisten zum Markt bei und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 18,95 % wachsen. Der Bedarf an Schmalrumpfflugzeugen ist einer der Haupttreiber für das Wachstum der Branche im Verkehrssektor. Airbus meldete Ende Dezember 2020 einen Auftragsbestand von 7.184 Flugzeugen, wobei die Schmalrumpfflugzeuge der Familien A220 und A320ceo/neo 88,70 % des Auftragsbestands ausmachten. Boeing verzeichnete einen ähnlichen Auftragsbestand von 4.997 Flugzeugen, von denen 4.031 auf die Schmalrumpfflugzeuge 737 NG/MAX entfielen.

Militärflugzeuge haben sich zu präzisen Instrumenten entwickelt, die für vielfältige Einsätze wie Angriff, Überwachung und Beobachtung geeignet sind. Neben dem Transport von Soldaten werden Militärhubschrauber auch zur Brandbekämpfung, zur Versorgung mit Nachschub und zur medizinischen Evakuierung eingesetzt. Leistung, Wetterbeständigkeit und Ansprechverhalten der Triebwerke und der Flugzeugzelle wurden durch technologische Fortschritte verbessert. Diese Fortschritte ermöglichen es neueren Flugzeugen, auch unter anspruchsvollen Bedingungen zu operieren. Mehrere Länder entwickeln neue Kampfflugzeuge, um ihre Luftverteidigungsfähigkeiten zu stärken.

Komponenten-Einblicke

Der globale Markt ist in Lüfterschaufeln, Lüftergehäuse, Leitschaufeln, Verkleidungen und Sonstiges unterteilt. Das Segment der Lüfterschaufeln hält den größten Marktanteil und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 15,40 % wachsen. Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe werden aufgrund ihres geringen Gewichts für die Herstellung von Triebwerkschaufeln verwendet. Die Querschnitte der Verbundwerkstoffschaufeln sind dicker als die von Titanschaufeln. Die dünnen Titankanten der Kohlenstofffaserverbund-Lüfterschaufeln verleihen ihnen die notwendige Stoßfestigkeit, um Vogelschlägen standzuhalten. Dabei kommt die von CFM International und Albany Engineered Composites Inc. entwickelte 3D-Webtechnologie zum Einsatz. Die Flugzeugtriebwerke LEAP und CFM56 des Unternehmens verwenden Kohlenstofffaserverbundschaufeln. CFM International steigerte seine jährlichen LEAP-Triebwerksauslieferungen im Jahr 2018 auf 1.118 Einheiten. Die COVID-19-Pandemie beeinträchtigte die Fähigkeit des Unternehmens, bis 2020 jährlich 2.000 Einheiten zu produzieren, und es wird erwartet, dass dies langfristige Auswirkungen auf die Auslieferungen haben wird.

Das Lüftergehäuse dient als Schutz für den Lüfter und verhindert strukturelle Schäden bei einem Ausfall der Lüfterschaufeln. Es ist so konstruiert, dass es nicht nur der Wucht umherfliegender Schaufelsplitter standhält, sondern auch die strukturelle Integrität im abgeschalteten Zustand des Triebwerks gewährleistet. Daher zählt das Lüftergehäuse zu den voluminösesten Bauteilen eines Triebwerks. Verbundwerkstoffe haben sich als praktikable Methode erwiesen, die strukturelle Integrität zu verbessern bzw. zu erhalten und gleichzeitig das Gewicht deutlich zu reduzieren, insbesondere da Triebwerkshersteller den Fokus auf die Steigerung der Treibstoffeffizienz legen. Rolls-Royce begann im Februar 2020 mit der Produktion seines UltraFan-Demonstratortriebwerks. Dieses Triebwerk verfügt über eine Lüfterschaufel- und Lüftergehäusekonstruktion aus Verbundwerkstoff, die eine Gewichtsersparnis von etwa 700 kg pro Triebwerk ermöglicht.

Eine Leitschaufel aus Verbundwerkstoff verfügt über mindestens zwei Befestigungsflansche, die sich vom radialen Ende der Schaufel zu den gegenüberliegenden Seitenflächen des Tragflügels erstrecken. Sie enthält Faserverstärkungen, die durch dreidimensionales Weben in einer Matrix verdichtet wurden. Die Befestigungsflansche sind axial versetzt. Diese Anwendung wartet auf die Einführung eines neuen Triebwerksdesigns, um die potenziellen Kosten- und Gewichtsvorteile zu nutzen, obwohl sie hinsichtlich Material und Fertigungsprozessen bereits erprobt ist und minimalen Triebwerkseinwirkungen standgehalten hat. Beispielsweise war die Abgasleitschaufel von Rolls-Royce, die mithilfe aufwendiger Textilverarbeitungstechniken wie Weben oder Stricken mit anschließender chemischer Dampfinfiltration hergestellt wurde, die komplexeste Anwendung der CMC-Technologie im Triebwerksbau.