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Neuartige Automatisierungsmethoden und -technologien zur besseren Herstellung von Flugzeugverbundteilen

Die Nachfrage nach Verbundwerkstoffen für die Luftfahrt wird sich voraussichtlich bis 2032 verdoppeln. Die Herstellung im Autoklav ist jedoch für die europäische Produktion nicht kosteneffizient genug. Mit einer EU-Initiative wurde ein fortschrittliches qualifiziertes Herstellungsverfahren für die Luft- und Raumfahrt eingeführt, mit dem die zur Produktion von Teilen oder Komponenten erforderlichen Werkzeuge entworfen und konstruiert werden können.

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„Die meisten Verbundteile werden in einem teuren Autoklav-Verfahren mit einer niedrigen Produktionsrate hergestellt“, erklärt Emmanuel Detaille, Koordinator des EU-finanzierten Projekts HFLE. „Daher ist es notwendig, Fortschritte bei Materialien, Herstellungsmethoden und Automatisierungsverfahren zu erzielen, die auf kostengünstige Produktions-, Wartungs-, Reparatur- und Überholungsvorgänge ausgerichtet sind.“ Die hybride laminare Strömungssteuerung („hybrid laminar flow control“; HLFC) ist eine Technik, die den Oberflächenluftstrom ansaugt und somit die Grenzschicht haften bleiben lässt. Dadurch wird der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung entlang der Oberfläche weiter zurück verschoben. Dies verringert den Gesamtluftwiderstand und der Kraftstoffverbrauch senkt sich um bis zu 30 %. „Die HLFC-Technologie ist sehr fortschrittlich, muss jedoch Aerodynamik-, Struktur-, Fertigungs- und Systemdesign integrieren“, fügt Detaille hinzu.

Nutzung eines innovativen Herstellungsprozesses für die Luft- und Raumfahrt

Das Resin Transfer Moulding (RTM) ist ein Harzinjektionsverfahren außerhalb des Autoklaven, mit dem eine komplexe Struktur mit sehr strengen Anforderungen an strukturelle Leistung, Gewichtsoptimierung, Aerodynamik und Kosten hergestellt wird. Die Projektpartner verwendeten dieses Verfahren, um einen originalgroßen Demonstrator für die Vorderkante des Höhenleitwerks herzustellen, zu testen und anzupassen. Sie produzierten und testeten außerdem erfolgreich Materialien, die in innovativen Werkzeugen wie Formen, Vorformwerkzeugen und Handhabungsgeräten für den Demonstrator zum Einsatz kamen. „Die Werkzeugmaterialien waren effizient in Sachen Preis, Verarbeitungskosten und Oberflächenbehandlung der Form“, erklärt Detaille. „In dem Werkzeug wurden keine Chemikalien verwendet. Dank der bemerkenswert glatten Oberfläche wurde nur eine dünne Bindemittelschicht benötigt.“ Die Form war so klein wie es für ein Bauteil dieser Größe sein konnte. Die thermische Masse war im Vergleich zu modernsten Werkzeugen für die Harzinjektion minimal. Dank der verbesserten Montage des Demonstrators wurde auch die Herstellungszeit verkürzt. Die Verwendung von Aluminium für die Form hat sich bewährt. Zusätzlich zu den niedrigeren Produktionskosten war der Energieverbrauch geringer als bei Stahl, da die Formdicke die ökologischen Auswirkungen der künftigen Produktion verringert.

Nachhaltige Entwicklung der europäischen Luftfahrtindustrie

Dem Team des Projektes HFLE gelang es auch, die Herstellungsschritte des Harzinjektionsverfahrens zu automatisieren. Automatisierung kann zur Entwicklung kostengünstiger neuer Technologien und Fertigungsverfahren führen. Die während der Serienproduktion bei der Umsetzung dieses Prozesses erzielte sehr niedrige Ausschussrate wirkt sich positiv auf die Umwelt aus, da sie den Materialabfall reduziert. „Die Serienproduktion in kostengünstigen Ländern wie Malaysia wird immer weniger attraktiv, was einen Vorteil für den europäischen Luftfahrtsektor darstellt“, erklärt Detaille. „Das Projekt HFLE hat gezeigt, dass das Harzinjektionsverfahren den Mehrwert von Verbundteilen erhöht, die mithilfe von Technologie hergestellt wurden, welche auf andere Flugzeugkomponenten wie Rumpfgerüste und Flügelkomponenten ausgeweitet werden kann“, schließt Detaille. „Die Herstellung von Verbundstrukturen in Europa durch die Einrichtung neuer Produktionslinien, die speziell mit europäischen Geräten ausgestattet sind, wird die Auslagerung dieser bedeutsamen Wertschöpfungsaktivitäten verhindern.“ Letztendlich wird der vorgeschlagene ökoeffiziente Entwurfsansatz zu leichteren Flugzeugen führen, die Treibstoff sparen und beim Transport von Reisenden oder Fracht weniger Energie verbrauchen.

Schlüsselbegriffe

HFLE, Form, Flugzeug, Luftfahrt, HLFC, Werkzeuge, Harzinjektionsverfahren, Höhenleitwerk, Vorderkante, Demonstrator

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