Mechanische Charakterisierung von PETG‑Kohlenstofffaser‑Verbundteilen mittels 3D‑Druck für den Einsatz als Drohnenrahmen

Warum stärkere, günstigere Drohnen wichtig sind

Kleine Drohnen werden heute für alles Mögliche eingesetzt, von Filmaufnahmen und Landwirtschaft bis hin zu Suche und Rettung. Ihre Rahmen bestehen jedoch häufig aus teuren, empfindlichen Materialien, die bei harten Landungen reißen können. Diese Studie untersucht, ob sich robuste, leichte Drohnenrahmen aus einem preiswerten Kunststoff mit Kohlenstofffaserverstärkung 3D‑drucken lassen – und wie das verborgene innere „Skelett“ des Drucks so abgestimmt werden kann, dass es Abstürze besser übersteht als heutige Entwürfe.

Einen besseren Kunststoff für Fluggeräte entwickeln

Die Forschenden konzentrierten sich auf PETG, einen gängigen 3D‑Druck‑Kunststoff, der als zäher und hitzebeständiger gilt als das bei Hobbydruckern verbreitete PLA. Durch das Mischen von PETG mit kurzen Kohlenstofffasern entstand ein steiferes, stärkeres Material, das sich dennoch zuverlässig drucken lässt. Ziel war es, dieses kostengünstige Filament zu einer realistischen Alternative zu herkömmlichen Kohlenstofffaserplatten zu machen, die zwar leicht, aber teuer sind und bei Stößen plötzlich versagen können – ein Problem für Drohnen, die öfter als uns lieb ist auf dem Boden aufschlagen.

Die verborgene Geometrie im Inneren eines Drucks

Beim 3D‑Druck ist ein Objekt in der Regel nicht massiv; stattdessen füllt die Software sein Inneres mit einem sich wiederholenden Muster, dem Infill. Dieses Muster wirkt wie die Fachwerke in einer Brücke: Es trägt Lasten und spart Material. Aus einer anfänglichen Liste von 21 Möglichkeiten wählte das Team fünf vielversprechende Muster aus, die in Desktop‑Druckern weit verbreitet sind: Tri‑Hexagon, Triangle, Support Cubic, Rectilinear (Geradlinig) und Quarter Cubic. Sie druckten standardisierte Prüfproben aus PETG–Kohlenstofffaser mit jedem Muster bei gleicher Dichte und maßen, wie gut sie sich dehnen, verschleißen, Aufprallenergie aufnehmen und Oberflächenverformungen widerstehen.

Festigkeit versus Absturzüberleben

Die Tests zeigten, dass kein einzelnes Muster in jeder Hinsicht „am besten“ ist. Das Rectilinear‑Infill mit seinen geraden, durchgehenden Strängen erzielte die höchste Zugfestigkeit und den geringsten Verschleiß: Es war am schwersten auseinanderzuziehen und hielt beim Reiben unter zunehmender Last am besten durch. Quarter Cubic und Triangle lagen dicht dahinter. Im Gegensatz dazu war das Support Cubic‑Gitter in reinen Zugversuchen schwächer und verschliss schneller, glänzte jedoch bei plötzlichen Schlägen. Sein dreidimensionales Netz aus Streben konnte sich stufenweise biegen und zerdrücken und nahm dabei mehr als das Dreifache der Aufprallenergie einiger anderer Muster auf. Härteprüfungen zeigten, dass Tri‑Hexagon und Rectilinear an der Oberfläche die steifsten waren, was erneut unterstreicht, wie die innere Geometrie das Verhalten desselben Materials verändert.

Die Software den Rahmen neu entwerfen lassen

Mit diesen Ergebnissen wählten die Autoren das Support Cubic‑Muster für einen kompletten Drohnenrahmen, weil in Flugunfällen die Absturzresistenz wichtiger ist als reine Zugfestigkeit. Anschließend griffen sie auf generative Design‑Software zurück: Statt den Rahmen von Hand zu zeichnen, gaben sie dem Programm vor, wo Motoren und Elektronik befestigt werden müssen, wo Propeller und Verkabelung frei bleiben sollen, welche Belastungen der Rahmen aushalten muss und dass er aus PETG–Kohlenstofffaser gedruckt wird. Die Software durchsuchte tausende Optionen und erzeugte einen skelettartigen, organisch geformten Rahmen, der weniger Material als ein einfacher „Kreuz‑förmiger“ Entwurf verwendete und gleichzeitig Spannungen und Durchbiegungen innerhalb sicherer Grenzen hielt.

Die neuen Rahmen im Falltest

Um zu prüfen, ob die virtuellen Vorteile in der Realität bestehen, druckten die Forschenden den optimierten PETG–Kohlenstofffaser‑Rahmen 3D‑gedruckt und verglichen ihn mit einem konventionellen PLA‑Rahmen ähnlicher Größe. Beide wurden aus steigenden Höhen auf eine ebene Fläche fallen gelassen. Der PLA‑Rahmen zeigte bei 9 Metern innere Schäden, während der PETG–Kohlenstofffaser‑Rahmen diese Höhe mit nur leichten Kratzern überstand und erst bei 12 Metern einen strukturellen Bruch erlitt. Computersimulationen von Spannung, Dehnung und Durchbiegung untermauerten diese Beobachtungen und zeigten, dass der neue Rahmen Lasten effizient verteilt und sich bei starken Kräften nur leicht verbiegt.

Was das für alltägliche Drohnen bedeutet

Für Nicht‑Fachleute ist die Schlussfolgerung klar: Durch die sorgfältige Wahl des inneren Musters und das Zulassen von Design‑Software, ungenutztes Material herauszunehmen, kann ein weit verbreiteter 3D‑Druck‑Kunststoff mit Kohlenstofffaserverstärkung mit herkömmlichen Kohlenstofffaserrahmen konkurrieren und in manchen Absturzszenarien sogar besser abschneiden. Das könnte künftige Drohnen günstiger herstellbar, verzeihlicher bei groben Landungen und leichter an spezifische Aufgaben anpassbar machen – alles mit Ausrüstung, die auf einen Schreibtisch passt.

Zitation: Palaniappan, M., Kumar, P.M., Arunkumar, P. et al. Mechanical characterization of PETG – carbon fiber composite parts using 3D printing for drone frame application. Sci Rep 16, 6938 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38051-3

Schlüsselwörter: 3D‑gedruckte Drohnen, Kohlenstofffaser‑Verbundwerkstoffe, PETG‑Filament, Infill‑Muster‑Design, generatives Design