Optimale Werkzeugbereitstellung für große Kompositteile
Der Luftfahrzeugbau setzt zunehmend auf Komposite - Verbundwerkstoffe -, die mit einer Kombination aus geringem Gewicht und hervorragender mechanischer Festigkeit überzeugen. Es ist unbedingt erforderlich, die hiermit verbundenen Produktionskosten zu senken, was insbesondere für sehr große Bauteile wie den Flugzeugrumpf gilt, wo riesige Autoklaven gebraucht werden. So starteten Wissenschaftler das EU-finanzierte Projekt "Optimal tooling system design for large composite parts" (OPTOCOM), um diese Herausforderung anzunehmen. Testfall war eine doppelt gekrümmte, versteifte Flugzeugrumpfplatte mit ko-gehärteten Versteifungen von ungefähr zwei Quadratmetern Fläche. Die Forscher konzipierten ein großes Maschinenwerkzeug für die Fertigung. Als Material für das Werkzeug wählte man INVAR 36, eine 36 %ige Nickel-Eisen-Legierung mit sehr geringer Wärmeausdehnung aus. Bei dem Rumpfteil entschied man sich für ein HexPly M21-Epoxid-Matrixsystem mit Verstärkungsfasern. Bei großen komplexen Teilen mit spitzen Winkeln bekommt man es aufgrund der plastisch-elastischen Beschaffenheit der Materialien mit dem Phänomen der Rückfederung zu tun. Das Team wollte nun die nach dem Aushärten auftretende Rückfederung genau simulieren, um sie zu minimieren und die Kosten der Nachbearbeitung oder -montage zu senken. Die Wissenschaftler erstellten im Folgenden FEM-Modelle (Finite-Elemente-Methode), welche die Verformung und Rückfederung während des Aushärtungsprozesses auf Basis experimenteller Daten simulieren. Sie lieferten gute qualitative Resultate und werden derzeit optimiert. Zweitens hatten die Forscher die Optimierung der Temperaturverteilung im Härtungszyklus im Sinne der Einheitlichkeit des Kompositteils, der geringeren Restspannung und eines gesenkten Energieverbrauchs im Visier. Die FEM-Modelle wurden zur Bewertung und Optimierung des thermischen Verhaltens des Werkzeugsystems im Autoklaven genutzt, um auf merkliche Weise die Geschwindigkeit zu erhöhen, die Kosten zu senken und den Energieverbrauch zu verringern. Modelle und experimentelle Beweise bestätigten, dass das Werkzeug sehr wenig verformt sowie sehr gleichmäßig erhitzt und gekühlt wird. Das endgültige Werkzeug soll dem Konzept nach sehr anpassbar sein. Eine Kostenanalyse ergab, dass die OPTOCOM-Ergebnisse tatsächlich die Autoklavenzeit signifikant reduzieren, was wiederum Energieverbrauch, Emissionen sowie Nacharbeiten und Montagezeiten reduziert. Die weitere Optimierung und Kommerzialisierung versprechen wichtige Vorteile für die Wettbewerbsposition der EU-Luftfahrtindustrie.
Schlüsselbegriffe
Kompositbauteile, Verbundteile, Flugzeug, Luftfahrzeug, Autoklaven, Werkzeugbereitstellung, Flugzeugrumpf, Rückfederung
