Integrierte, leichte und nachhaltige Flugzeugbauteile
Um die Umweltleistung und Kosteneffizienz zu verbessern, wechseln Hersteller beim Bau von Flugzeugteilen zu leichten Metalllegierungen. Weniger Gewicht führt zu weniger Treibstoffverbrauch, einem wichtigen Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit von Europas Transportindustrie. Eine schnelle und kostengünstige Montage von Metallstrukturen ist essentiell für Produktionsgeschwindigkeit. Das EU-finanzierte Projekt MISSP hat Verbesserungen bei der Montage besonders stabiler, leichter Strukturbauteile vorgestellt, die zu erhöhter Produktion führen. Im Besonderen haben Forschende des Projekts innovative Möglichkeiten der Fertigung metallischer Frachttore entwickelt. Die erforschten Flugzeugtüren könnten auch als Vorführteile für neue Materialien und Fertigungsmethoden dienen, die beim Bau typischer Flugwerkstrukturen einsetzbar sind. „Unser Ziel war es, ganzheitliche Gestaltungskonzepte sowie fortschrittliche Fertigungsprozesse zu entwerfen, die mit neuen, leichten Aluminiumlegierungen kompatibel sind. Die anvisierten Hauptfaktoren waren Kostenreduktion, Gewichtseinsparungen und nachhaltige Fertigung“, merkt Michel Willemssens an, Koordinator von MISSP und Unternehmensentwickler bei Sonaca.
Optimierung des Montagebetriebs
Um dieses Ziel zu erreichen, konzentrierten die Forschenden sich auf den Entwurf integrierterer Komplettstrukturen mit weniger Schnittstellen zwischen Einzelteilen. „Der Schwerpunkt der bereits laufenden Fertigung der Frachttore liegt auf integrierten Strukturen, um die Anzahl der zu montierenden Teile zu verringern und den Montagebetrieb zu vereinfachen. Integrierte Strukturen führen letztendlich zu weniger Montagekosten“, merkt Yves Marchal an, Leiter der Abteilung für Materialien und Verfahren bei Sonaca. Beim Bau von Flugzeugen werden meist Verbindungselemente verwendet – Bestandteile, die mechanisch zwei oder mehr Teile verbinden. Nieten sind die üblichsten Verbundelemente bei der Montage von Flugzeugen. Der hochpräzise Nietvorgang umfasst Bohren, Senken und die Verbinderverarbeitung. Das wird bei großen Flugzeugen tausende Male wiederholt. „Beim Bohren der Löcher für Verbundelemente werden besondere Beschichtungen und Lacke eingesetzt, um die Einzelteile und Löcher vor Einbau der Nieten zu schützen. Das ist ein zeitintensiver Vorgang, für den große Mengen Verbrauchsmaterialien notwendig sind“, fügt Marchal hinzu.
Fortschrittliche Aluminiumlegierungen bereit zum Einsatz
Die Forschenden arbeiten an der Entwicklung einer Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung – der ersten Metalllegierung dieser Art im Flugzeugbau. Die gute spezifische Steifigkeit, Duktilität und die mechanischen Eigenschaften sowie die herausragende Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bringen der Industrie enorme Vorteile verglichen mit anderen sonst eingesetzten Aluminiumlegierungen. Bemerkenswert ist, dass die Aluminiumlegierung bei Temperaturen von bis zu 300 °C geformt werden kann, ohne ihre ursprünglichen Eigenschaften einzubüßen.
Zwei zentrale Projektziele
Bei der Fertigung der Außentürbeschichtung war das erste Ziel die Verbesserung der Umweltaspekte. Statt Ätzen als subtraktives Fertigungsverfahren entschieden die Forschenden sich für mechanisches Fräsen, um vor dem Formen Entlastungstaschen auf einer flachen Platte zu produzieren. Um eine integrierte Struktur zu erzeugen, das zweite Hauptziel des Projekts, setzte der Projektpartner CRM Laserstrahlschweißen ein, um die Stringer mit der Platte aus Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung zu verbinden. Die Platte wurde letztendlich als Ganzes von Sonaca durch Retardation in einem Schmelzofen geformt. Die Formung der kompletten Struktur in einem einzigen Schritt wurde auch bedacht. Hierfür zapften die Forschenden das Potenzial enorm schneller Formverfahren bei der Fertigung der Frachttore an. Bei hoher Geschwindigkeit wird Materialverformung im Kern durch Gesetze der Viskoplastizität bestimmt, ähnlich wie bei höheren Temperaturen. Dieses Verhalten verbessert wesentlich die Formung komplexer Formen und verringert Rückfederung. „Das Hochenergie-Hydroformverfahren, welches von 3D-Metal Forming, einem weiteren Projektpartner, eingesetzt wurde, zeigt die Vorteile der Hochgeschwindigkeitsformung gegenüber konventionellen mechanischen Formungsverfahren auf. Das Verfahren ähnelt einem Tsunami – es nutzt eine explosive Kraft aus, um den notwendigen Unterwasserdruck aufzubauen, der die Platte in die Matrize drückt. Somit können wir sehr dicke Platten formen, von denen komplett integrierte Strukturen mit wenig Verformung hergestellt werden können. Keine Nieten, kein Schweißen, alles geschieht durch eine Kombination aus Formen und maschineller Bearbeitung!“ so Marchal abschließend.
Schlüsselbegriffe
MISSP, Flugzeug, integriert, Montage, Aluminiumlegierung, Frachttor, Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung, Hochenergie-Hydroformverfahren
