Leichtgewichtige Legierungen und Schweißmethoden
Leichtgewichtige Flugzeuge sind treibstoffeffizienter, sodass Flugzeugkonstrukteure fortwährend nach neuen Methoden zur Gewichtssenkung suchen. Konstrukteure haben sich unlängst neuen Legierungen und Schweißtechniken gewidmet. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts AFSIAL (Advanced fuselage and wing structure based on innovative Al-Li alloys) wurden geeignete Legierungen und Methoden entwickelt. Das „Clean Sky“-Projekt AFSIAL kombinierte die geeignetsten Materialien mit optimalen Schweißprozessen, um eine Gewichtsreduktion ohne Stärkeverlust zu erreichen. Die neuen Legierungen kombinieren Aluminium, Kupfer und Lithium. Zu neuen Montagetechniken zählte unter anderem Laserschweißen. Außerdem untersuchte das Team Hybridlaserschweißverfahren und Verfahren für beidseitiges Schweißen. Die Gruppe kombinierte alle neuen Materialien und Verfahrensweisen mit einer fortschrittlichen Entwurfsmodellierung, um optimierte Flugzeug-Metall-Panels herzustellen und zu testen. Die Forscher machten sich zunächst an die gesonderte Identifizierung und Auswahl neuer Aluminium-/Lithiumlegierungen, die sich am besten für den Rumpf und die Tragfläche von Flugzeugen eignen. Legierungen mit geringem Lithiumanteil wiesen die tauglichste Eigenschaftenkombination auf. Die Prüfer entschieden sich im Hinblick auf den Rumpf insbesondere für die Legierung 2198 T8 und im Hinblick auf die Tragflächen für die Legierung 7150 T6. Das Team machte zudem Empfehlungen zu den geeignetsten Schweiß- und Wärmebehandlungsverfahren für jede Legierung. Daraufhin verglich die Gruppe verschiedene potenzielle Laserschweißverfahren, die sich für die Zielanwendungen anboten. Die Schweißtechniken wurden jeweils auf Qualität, Geschwindigkeit, Durchdringung, Wärmeeintrag und den insgesamten Energieverbrauch hin beurteilt. Die Forscher konstruierten und bauten eine Reihe versteifter Flugzeug-Panels einschließlich von zwei Rumpfabschnitten und zwei Abschnitten in Tragflächenform. Das Team adressierte das Problem einer automatischen Detektion von Panel-Ausbeulungen oder globaler Ausbeulungen. Die größte Errungenschaft des Projekts war die Definition und Validierung eines automatisierten Optimierungsverfahrens, das zu optimierten Panel-Dicken und zu weiteren Verbesserungen führt. Infolgedessen wiesen die neuen Panels im Allgemeinen Gewichtsersparnisse zwischen 16 und 30 % und von teils bis zu 50 % auf. Obwohl es nicht möglich war, im Zuge von AFSIAL die experimentelle Überprüfung des Schweißverfahrens abzuschließen, stellt die Arbeit für die Verfahrensweise im Bereich der Flugzeugkonstruktion einen bedeutenden Schritt nach vorne dar, der in Zukunft zu Gewichts- und Treibstoffeinsparungen führt.
Schlüsselbegriffe
Flugzeug, AFSIAL, Rumpf, Tragflächenstruktur, Al-Li-Legierungen, Laserschweißen
