Chinas Durchbruch in der Luft- und Raumfahrt bei der Herstellung von dünnwandigen Bauteilen: Spiegelfrästechnologie, die die Zukunft anführt

Erstellt 2025.08.22

Warum leichter besser bedeutet

In der Luft- und Raumfahrttechnik ist die Gewichtsreduzierung direkt mit der Leistung verbunden. Ein leichterer Flugzeugrumpf ermöglicht es einem Flugzeug, weiter zu fliegen, mehr Nutzlast zu transportieren und weniger Treibstoff zu verbrauchen. Bei Raketen bedeutet jedes Kilogramm, das in der Struktur eingespart wird, zusätzliche Nutzlast, die in den Orbit gebracht wird. Doch die Komponenten, die dies ermöglichen – große gebogene Flugzeughaut und Raketenbottiche – müssen extremen Belastungen standhalten und gleichzeitig aerodynamische Präzision bewahren.

Seit Jahrzehnten verließen sich Hersteller auf chemisches Fräsen. Dieser Prozess, obwohl weit verbreitet, brachte erhebliche Herausforderungen mit sich: geringe Genauigkeit, ungleichmäßige Wandstärken, starke Umweltverschmutzung und begrenzte Anwendbarkeit auf neue Materialien wie Aluminium-Lithium-Legierungen. Da Programme der nächsten Generation höhere Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse verlangten, wurde das chemische Fräsen zu einem Hindernis anstatt zu einer Lösung.

Das Aufkommen der Spiegelfrästechnologie—eine duale Fünf-Achsen-Bearbeitungsmethode—hat nun neu definiert, wie dünnwandige Luft- und Raumfahrtkomponenten hergestellt werden können. Chinas nachhaltige Forschungsanstrengungen im vergangenen Jahrzehnt haben diesen einst importabhängigen Prozess in ein Feld nationaler Innovation und großflächiger Anwendung gedrängt.

Überwindung des Engpasses traditioneller Prozesse

Flugzeugoberflächen müssen ultraleichte Konstruktion mit langer Ermüdungslebensdauer kombinieren, während die Böden von Raketentanks sowohl dem Treibmittel-Druck als auch den enormen Kräften beim Start standhalten müssen. Traditionelles chemisches Ätzen (chemisches Fräsen) hat mehrere inhärente Schwächen:

Niedrige Bearbeitungsgenauigkeit

und Schwierigkeiten, eine gleichmäßige Dicke aufrechtzuerhalten

Umweltauswirkungen

, mit hohem chemischen Abfall und Verschmutzung

Abhängigkeit von manueller Arbeit

, was die Skalierung und Konsistenz erschwert

Inkompatibilität mit fortschrittlichen Legierungen

wie Aluminium-Lithium

Unfähigkeit, ungleichmäßige Wandstärke zu beseitigen

in großdurchmessernen Teilen

Diese Probleme wurden zu einem erheblichen Engpass, der Verbesserungen sowohl der Flugzeug- als auch der Raumfahrzeugleistung einschränkte.

Chinas Durchbruch: Dual-Fünf-Achsen-Spiegelbearbeitung

Spiegelbearbeitung wird weithin als das „Kronjuwel“ der Fünf-Achsen-Bearbeitung angesehen. Der Prozess umfasst die synchronisierte Bewegung von zwei Fräsköpfen – einem Schneidkopf und einem Stützkopf – die im Spiegelbild arbeiten. Die Echtzeitmessung der Wandstärke und die adaptive Unterstützung verhindern die Verformung von schwachen, dünnwandigen Teilen.

Seit Jahrzehnten wurde diese Technologie von europäischen Anbietern wie Dufieux (Frankreich) und M.Torres (Spanien) monopolisiert. Eine einzelne Maschine der 12-Meter-Klasse kostete einst über 110 Millionen RMB (15 Millionen USD) und wurde typischerweise unter restriktiven Verträgen verkauft, die die Übertragung von Kerntechnologie untersagten.

Chinas Antwort war ein jahrzehntelanges nationales Bemühen. Ein Konsortium, das die Shanghai Jiao Tong Universität, Topplus CNC, COMAC, AVIC Xi’an Aircraft und Tianjin Rocket Manufacturing umfasst, erzielte eine Reihe von Durchbrüchen über die gesamte Kette hinweg—Theorie, Technologie, Prozesse und Ausrüstung. Zu den wichtigsten Errungenschaften gehörten:

Entwicklung von Präzisionsbearbeitungstechniken für große flexible Oberflächen
Bau der Welt

erste vertikale doppelte Fünf-Achsen-Spiegelfräsmaschine

Schöpfung der Welt

größtes horizontales duales Fünf-Achsen-Spiegelfräsystem

Neue Prozesse für

Flugzeuglackierungen und integrale Raketentankböden

Diese Fortschritte wurden erfolgreich auf wichtige Programme wie das Y-20-Transportflugzeug, das C919-Passagierflugzeug, Chinas bemanntes Raumfahrtprogramm und den 5-Meter-Klasse-Integral-Tankboden für Mondmissionen angewendet.

Mirrorfräsen funktioniert auf Kugeloberfläche

Erste Lieferungen: Eintritt in die globalen Top Drei

Im Jahr 2017 lieferten die Shanghai Jiao Tong Universität und Shanghai Topplus CNC Chinas erste im Inland gebaute Spiegelfräse und schlossen damit eine langjährige Lücke. Dies positionierte China als das dritte Land der Welt, das die Technologie beherrscht, nach Frankreich und Spanien.

Das System überwand wichtige technische Hürden wie die Dämpfungsunterstützung für ultradünne Strukturen, die Online-Wanddickenmessung und -kompensation sowie die Verbesserung der dynamischen Genauigkeit von Maschinen. Bei der Anwendung auf Raketentankabschnitte verbesserte sich die Wanddicken-Toleranz im Vergleich zur chemischen Bearbeitung um das Fünffache.

Der Durchbruch wurde vom Ministerium für Industrie und Informationstechnologie Chinas im Rahmen seiner „Fünf Jahre Fortschritt bei wichtigen Geräteleistungen“ anerkannt.

Erweiterung der Fähigkeiten: Von 3 Metern auf 5 Meter

Das „Riesen-Eierschale“ erobern

Forschungsteams entwickelten als Nächstes eine vertikale Dual-Fünf-Achsen-Maschine der 3-Meter-Klasse und erweiterten die Anwendungen des Spiegelfräsen von einfach gekrümmten zu doppelt gekrümmten Strukturen. In Tianjin frästen sie erfolgreich den Boden eines 3,35-Meter-Raketenbehälters mit einer Wandstärke von nur 1 mm und erreichten ein Verhältnis von Durchmesser zu Dicke von 3350:1.

Um die extreme schwache Steifigkeit zu überwinden – vergleichbar mit der Bearbeitung einer „riesigen Eierschale“ – führten Ingenieure Laserscanning, automatisierte Dickenkompensation und digitale Verformungssteuerung ein. Dies ermöglichte eine präzise, umweltfreundliche Fertigung mit dramatisch verkürzten Zykluszeiten.

Vom ersten Artikel zur Serienproduktion

Im Shanghai Aerospace 149 Werk wurden die Spiegelbearbeitungsprozesse für die Böden von Raketentanks über drei Jahre verfeinert. Die Genauigkeit verbesserte sich auf ±0,1 mm, während die Bearbeitungszeit von 20 Tagen auf nur 6–7 Tage sank. Im Oktober 2023 feierte das Werk die Einführung seines 100. Integralbodens der 3-Meter-Klasse, was die Reife der Technologie für die Serienproduktion markiert.

Auf bis zu 5 Meter skalieren

Im Jahr 2024 erzielte China einen weiteren Weltrekord – das Spiegelfräsen eines 5-Meter-Durchmesser-Raketenbehälterbodens. Die Herausforderung war enorm: Die Gleichmäßigkeit der Wandstärke wurde viel schwieriger aufrechtzuerhalten, und die Deformationsrisiken vervielfachten sich. Ingenieure entwarfen eine vertikale Maschine mit zwei Köpfen und einem Spannbereich von 6 Metern mit 110° synchronisiertem Support, verbesserter Echtzeit-Dickenmessung und aufgerüsteten Spannsystemen.

Dieser Erfolg markierte einen vollständigen Übergang von umweltschädlicher, niederpräziser chemischer Bearbeitung und Schweißen zu sauberer, hochpräziser Spiegelbearbeitung für große Raketenkonstruktionen.

Anwendungen in der Luftfahrt: Vom C919 bis zur Y-20

Sicherstellung der C919-Lieferkette

Das Passagierflugzeug C919 benötigt Rumpfhaut mit einer Ermüdungslebensdauer, die die Standards von Boeing und Airbus übersteigt, viele davon aus Aluminium-Lithium-Legierung. Traditionelles chemisches Fräsen konnte diese Anforderungen nicht erfüllen.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt hing die Lieferkette der C919 von importierten Spiegelfräsen ab. Doch als ausländische Geräte ausfielen, sah sich China potenziellen Lieferunterbrechungen gegenüber. Inländische Teams traten schnell ein und lieferten horizontale duale Fünf-Achsen-Spiegelfräsen mit höherer Präzision, Effizienz und Reichweite als importierte Alternativen.

Heute wurden fünf automatisierte Produktionslinien auf der Grundlage der inländischen Spiegelfrästechnologie installiert, die Haut für über 60 Flugzeugsets liefern und eine sichere und zuverlässige Produktion für das C919-Programm gewährleisten.

Unterstützung des Y-20 Transportflugzeugs

Das Y-20 große Transportflugzeug verfügt über massive, gebogene Rumpfhäute, die von Ingenieuren als „metallische Filme“ beschrieben werden. Diese ultragroßen, ultradünnen Strukturen sind während der Bearbeitung extrem anfällig für Verformungen. Traditionelle CNC-Ausrüstung konnte sich nicht anpassen.

Um dies zu lösen, entwickelten AVIC Xi’an Aircraft und seine Partner die weltweit größte Spiegelfräse, ein 12-Meter horizontales Dual-Fünf-Achsen-System. Es ermöglichte die automatisierte, präzise Bearbeitung großer Hautflächen und verwandelte einen einst kritischen Engpass in einen robusten Prozess.

Die Ausrüstung erfüllte nicht nur die Leistungserwartungen, sondern übertraf sie sogar und etablierte ein vollständiges Prozess- und Ausrüstungssystem für große gebogene Haut. Sie bildet nun die Grundlage für die Programme Y-20 und C919 und wurde von der Volkszeitung als Meilenstein in der Innovation von Hochleistungswerkzeugen anerkannt.

Breitere Auswirkungen auf Chinas Werkzeugmaschinenindustrie

Der Erfolg des Spiegelfräsen hat sich über die Luft- und Raumfahrt hinaus auf den breiteren Bereich der hochwertigen Werkzeugmaschinen ausgeweitet. Sein Einfluss umfasst:

Entwicklung von

serienkonfigurierte horizontale Fünf-Achsen-Plattenfräsmaschinen für Aluminium- und Titanlegierungen

Einrichtung der ersten automatisierten Plattenfräsproduktionslinie in China
Effizienzverbesserungen bis zu

viermal höher als herkömmliche Portalfräsen

Fortschritte in

großspannige, ultra-hochpräzise Fünf-Achsen-Portalmachining für zivile Flugzeugkomponenten

Übergang von Montageprozessen von manueller Anpassung zu

hoch effiziente austauschbare Montage

Diese Errungenschaften sicherten nicht nur die Unabhängigkeit in einer einst monopolisierten Technologie, sondern steigerten auch Chinas globale Wettbewerbsfähigkeit in der Präzisionsfertigung.

Auf dem Weg zu einer neuen Ära in der Luft- und Raumfahrtproduktion

Von 3-Meter- bis 5-Meter-Tankböden, von Aluminium-Lithium-Legierungen bis hin zu ultradünnen metallischen Oberflächen haben Chinas Spiegelbearbeitungsprogramme eine Reihe von Weltneuheiten erreicht. In mehr als einem Jahrzehnt harter Arbeit haben chinesische Teams Durchbrüche in Theorie, Prozessen, Ausrüstung und industrieller Anwendung erzielt.

Die Technologie unterstützt nun wichtige nationale Projekte, einschließlich der C919, Y-20, Long March-Raketen, bemannter Raumfahrt und Mondexploration. Durch den Ersatz der chemischen Fräsbearbeitung durch hochpräzise, umweltfreundliche Spiegelbearbeitung hat China nicht nur langjährige Engpässe beseitigt, sondern sich auch an die Spitze der Fertigung von Luft- und Raumfahrt der nächsten Generation positioniert.

Mit der Erweiterung von Anwendungen und der fortschreitenden Entwicklung der Technologie wird das Spiegelfräsen eine noch größere Rolle spielen – es hilft Chinas Luft- und Raumfahrtsektor, neue Höhen zu erreichen und die Zukunft der globalen Luft- und Raumfahrtproduktion neu zu gestalten.

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