ADC12 vs. AZ91D für Strukturknoten von Drohnen: Magnesium oder Aluminium für maximale Flugzeit?
Für Strukturknotenpunkte, Chassis-Gehäuse und Bauteilgehäuse von Drohnen sind Magnesiumlegierung AZ91D und Aluminiumlegierung ADC12 zwei erstklassige Druckgusslegierungen. Die Wahl hängt davon ab, ob man maximale Gewichtsreduzierung gegen thermische Leistung, EMI-Abschirmung und Kosten abwägt: AZ91D hat eine um etwa 33 % geringere Dichte als ADC12 und bietet ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bei hervorragender Schwingungsdämpfung, während ADC12 eine höhere Wärmeleitfähigkeit, geringere Rohstoffkosten und eine ausgezeichnete Fließfähigkeit für komplexe Geometrien aufweist.
AZ91D hat eine Dichte von 1,81 g/cm³, eine Zugfestigkeit von etwa 230 MPa, eine Streckgrenze von 160 MPa, eine Dehnung von 3 % und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 72 W/m·K. ADC12 hat eine Dichte von 2,68 g/cm³, eine Zugfestigkeit von 180–230 MPa, eine Streckgrenze von 120–150 MPa und eine höhere Wärmeleitfähigkeit von etwa 96 W/m·K.
Drei Faktoren sind ausschlaggebend für die Entscheidung zwischen AZ91D und ADC12 bei Strukturkomponenten für Drohnen: die durch eine geringere Strukturmasse erzielte Flugzeit oder Nutzlaststeigerung, die von benachbarten Motoren und Elektronikkomponenten abgegebene Wärme sowie das angestrebte Produktionsvolumen. Dieser Leitfaden legt die metallurgischen, thermischen und fertigungstechnischen Kriterien für die Auswahl zwischen Drohnenkomponenten aus Magnesium- und Aluminiumdruckguss fest und richtet sich an Hardware-Ingenieure und Entscheidungsträger im Beschaffungswesen im Bereich Drohnen.
Warum die Wahl der Legierung für Bauteile die Flugdauer einer Drohne bestimmt
Die Flugdauer einer Drohne wird durch den Gesamtmassenanteil der Flugzeugzelle begrenzt, wobei jedes Gramm, das an Strukturgewichts eingespart wird, direkt in zusätzliche Batteriekapazität, Nutzlast oder Flugzeit umgewandelt wird. Während Kohlefaserverbundwerkstoffe (CFK) bei linearen Motorarmen und Rohren dominieren, wird bei komplexen 3D-Zentralnaben, Motorhalterungen, Kardanringgehäusen und Elektronikgehäusen vorwiegend Druckguss eingesetzt. Beim Hochdruckdruckguss entstehen dünnwandige Strukturhüllen mit integrierten Befestigungsvorsprüngen, Kabelkanälen und Kühlrippen in einem einzigen Net-Shape-Zyklus, wodurch separate Befestigungselemente und Montagegewicht entfallen.
Der technische Kompromiss besteht darin, dass Magnesium und Aluminium unterschiedliche Ziele optimieren: AZ91D optimiert minimale Masse, Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und Schwingungsdämpfung, während ADC12 die Wärmeableitung, die Verarbeitbarkeit und die Stückkosten optimiert. Die Wahl der falschen Legierung geht zu Lasten der Lebensdauer, der Signalintegrität oder der thermischen Reserve. Bei beiden handelt es sich um maßgeschneiderte Druckgusslegierungen, die durch Normen wie ASTM B94 und die Bezeichnungen der Aluminum Association definiert sind, welche die unten aufgeführten Grenzwerte für die Zusammensetzung festlegen.
Konzeptionelles Wireframe-Schema zur Veranschaulichung der Subsysteme einer industriellen Hexakopter-Drohne, der Gehäuse für das Wärmemanagement und der Anordnung der Komponenten.
AZ91D-Magnesium: Eigenschaften und Anwendungen in UAV-Komponenten
AZ91D ist die Legierung der Wahl, wenn die Minimierung der metallischen Strukturmasse das vorrangige Konstruktionsziel ist. Mit einer Dichte von 1,81 g/cm³ – sie ist damit etwa 33 % leichter als Aluminium – bietet sie eine hohe spezifische Festigkeit und eignet sich daher ideal für zentrale Strukturknotenpunkte und Nutzlastbefestigungen.
Abgesehen von der Gewichtsreduzierung bietet AZ91D zwei entscheidende technische Vorteile:
Schwingungsdämpfung: Die außergewöhnliche Dämpfungsleistung absorbiert hochfrequente Motorvibrationen, schützt empfindliche IMUs des Flugcontrollers und stabilisiert Kameranutzlasten.
EMI-Abschirmung: Die integrierte elektromagnetische Abschirmung verhindert Störungen zwischen leistungsstarken Videosendern und den integrierten GPS-/Empfängermodulen.
Hochreines AZ91D ist widerstandsfähiger gegen atmosphärische Korrosion als Primärmagnesium, doch für den Einsatz von Drohnen im Freien sind dennoch schützende Oberflächenbehandlungen (wie Mikro-Lichtbogenoxidation oder E-Coating) erforderlich, um galvanische Korrosion an den Verbindungsstellen der Befestigungselemente zu verhindern. Aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit von ~72 W/m·K eignet es sich besser für tragende Rahmenkonstruktionen und Gehäuse als für Hochleistungs-Kühlkörper.
ADC12-Aluminium: Eigenschaften und Anwendungen in UAV-Komponenten
ADC12 ist die empfohlene Legierung, wenn Wärmemanagement, Formbarkeit und Stückkosten gegenüber einer absoluten Gewichtsreduzierung Vorrang haben. Ihr Siliziumgehalt von 9,6–12 % sorgt für eine außergewöhnliche Formbarkeit, wodurch sich im Hochdruckgussverfahren auch ultradünne, komplexe Querschnitte wiederholgenau ausfüllen lassen. Dank ihrer Wärmeleitfähigkeit von ~96 W/m·K können Strukturgehäuse gleichzeitig als passive Wärmeverteiler für ESCs, VTX-Module und Prozessoren dienen.
Mit einer Dichte von 2,68 g/cm³ und einer Zugfestigkeit von 180–230 MPa ist ADC12 zwar schwerer als AZ91D, weist jedoch deutlich geringere Rohstoffkosten auf. Da ADC12 jedoch 1,5–3,5 % Kupfer (Cu) enthält, erfordern UAV-Komponenten für den Außenbereich eine Oberflächenbehandlung (wie Eloxieren, Chromatierung oder Pulverbeschichtung), um Lochfraß und mikrogalvanische Korrosion in feuchten Umgebungen oder in Küstengebieten zu verhindern.
ADC12 vs. AZ91D Vergleich
| Eigentum | AZ91D (Magnesium) | ADC12 (Aluminium) |
|---|---|---|
| Dichte | 1,81 g/cm³ | 2,68 g/cm³ |
| Bruchzugfestigkeit | ~230 MPa | 180–230 MPa |
| Streckgrenze | ~160 MPa | 120–150 MPa |
| Dehnung | ~3% | 1–3 % |
| Spezifische Festigkeit (UTS/Dichte) | ~127 kN·m/kg | ~80–86 kN·m/kg |
| Wärmeleitfähigkeit | ~72 W/m·K | ~96 W/m·K |
| Schwingungsdämpfung | Überlegen | Mäßig |
| EMI-Abschirmung | Ausgezeichnet | Gut |
| Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit im Außenbereich | Erfordert MAO / E-Beschichtung | Erfordert eine Eloxierung / Pulverbeschichtung (aufgrund des Kupfergehalts) |
| Relative Materialkosten | Höher | Nach unten |
Ingenieure, die bei einer bestimmten UAV-Plattform das Verhältnis zwischen Masse und thermischer Reserve abwägen, sind eingeladen, die Geometrie der Flugzeugzelle für eine unverbindliche Prüfung der Herstellbarkeit einzureichen, die Wandstärken, Entformungswinkel sowie die Wahl zwischen AZ91D und ADC12 umfasst.
Anpassung der Legierung an Drohnentyp und Bauteil
Kardanische Halterungen und Kamerahalterungen: AZ91D – nutzt hervorragende Schwingungsdämpfung zur Stabilisierung von Bildgebungs-Nutzlasten.
Zentrale Strukturknotenpunkte und Elektronikgehäuse: AZ91D, bei dem die Gewichtsreduzierung die Flugzeit verlängert und die integrierte EMI-Abschirmung die Avionik schützt.
Integrierte thermische Gehäuse für ESC und Motor: ADC12, bei denen eine höhere Wärmeleitfähigkeit die Wärme der Leistungselektronik ableitet.
Plattforen mit hohem Volumen und hohen Kostenanforderungen: ADC12 für geringere Rohstoffkosten und dünnwandige Gussteile mit hoher Fließfähigkeit.
Häufige Fragen zum Thema Technik
1. Benötigt AZ91D-Magnesium bei Drohnen für den Außenbereich einen Korrosionsschutz?
Hochreines AZ91D weist eine gute Korrosionsbeständigkeit auf, da der Gehalt an Eisen, Nickel und Kupfer auf einem niedrigen Niveau gehalten wird. Dennoch benötigen UAVs für den Außeneinsatz eine Schutzbeschichtung oder Lackierung auf freiliegenden Oberflächen, um galvanische Korrosion an Befestigungspunkten und an Schnittstellen zwischen unterschiedlichen Metallen zu verhindern. Beschichtete AZ91D-Flugzeugzellen erreichen routinemäßig eine mehrjährige Einsatzdauer unter feuchten und küstennahen Bedingungen.
2. Um wie viel erhöht sich die Flugzeit durch den Wechsel vom ADC12 zum AZ91D?
Der Wechsel von ADC12 zu AZ91D bei der Flugzeugzelle reduziert die Strukturmasse bei gleicher Geometrie um etwa 33 %. Da die Flugzeugzelle in der Regel 15–25 % des Gesamtgewichts einer Drohne ausmacht, führt diese Änderung in der Regel zu einer Verringerung der Gesamtmasse um 5–8 %, was sich in einer vergleichbaren prozentualen Steigerung der Flugzeit oder einer Erhöhung der Nutzlast im einstelligen Bereich niederschlägt.
3. Welche Legierung leitet die Wärme aus den Motoren und der Elektronik einer Drohne besser ab?
ADC12 leitet Wärme besser ab als AZ91D: Mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 96 W/m·K gegenüber 72 W/m·K bei Magnesium bietet es einen Vorteil von rund 33 %, wodurch Aluminium-Flugzeugzellen als passive Kühlkörper für Motorhalterungen und Elektronikfächer fungieren können. Bei Konstruktionen mit hoher Dauerleistungsaufnahme werden ADC12 oder eine Hybridkonstruktion bevorzugt, bei der in den thermisch beanspruchten Bereichen Aluminium zum Einsatz kommt.
Vom Entwurf bis zur Fertigung: Die DFM- und Mold-Flow-Methodik von Teamsworld
Teamsworld fertigt sowohl die Werkzeuge als auch die gegossenen Flugzeugzellen für UAV-Programme und betreibt unter einem Dach sowohl Magnesium-Druckguss im Heißkammerverfahren als auch Aluminium-Druckguss im Kaltkammerverfahren, sodass ein Entwurf entweder in AZ91D oder ADC12 angeboten werden kann, ohne den Lieferanten wechseln zu müssen. Bei der DFM-Prüfung werden Wandstärken, Entformungsschrägen, Angussstrategie und Legierungsauswahl bewertet, bevor überhaupt Stahl zugeschnitten wird, und die Formflusssimulation prognostiziert das Füllverhalten, die Porosität und den Schwund für jede in Frage kommende Legierung im Hinblick auf die Vorgaben für dünne Wände und das Gewicht. Dank CNC-Endbearbeitung und der durchgängigen Abwicklung vom Prototypenwerkzeug bis zur qualifizierten Serienfertigung reduziert Teamsworld die Anzahl der Werkzeugiterationen bis zur Maßfreigabe in der Regel von drei bis vier Zyklen auf ein bis zwei.
Möchten Sie in die Fertigung von Drohnenkomponenten einsteigen?
Das Ingenieurteam von Teamsworld bietet Ihnen eine unverbindliche DFM-Bewertung für die Strukturkomponenten Ihrer Drohnen an, die Wandstärken, Entformungsschrägen, Angussstrategien sowie die Auswahl zwischen Magnesium- und Aluminiumlegierungen unter Berücksichtigung Ihrer Anforderungen hinsichtlich Lebensdauer, Wärmeverhalten und Stückzahlen umfasst. Reichen Sie die Geometrie Ihrer Komponenten und die angestrebten Stückzahlen ein, um eine Bewertung der Herstellbarkeit zu erhalten, bevor Sie sich auf den Einsatz von Werkzeugen festlegen.