Verbesserte thermoplastische Verbundwerkstoffe für Flugzeugrümpfe der nächsten Generation
Thermoplastische Verbundwerkstoffe stellen eine fortgeschrittene Werkstoffklasse dar, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet sein wird. Sie bieten im Vergleich zu Duroplasten – dem derzeitig in der Industrie gängigen Werkstoff – eine höhere Zähigkeit und Stoßfestigkeit, wodurch sich der Wartungsaufwand während der Betriebszeit eines Flugzeugs verkleinern könnte. Die Herstellung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen ist jedoch herausfordernd und kostspielig. Sie erfordern sehr hohe Verarbeitungstemperaturen von fast 400 °C, um sie zu formen, bevor sie abkühlen. Die Qualität der Teile hängt auch von der Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeit ab, die bei großen Teilen mit lokalen Dickenänderungen schwierig zu handhaben sein kann. „Bei diesem Temperaturniveau ist die Auswahl an geeigneten Zusatzwerkstoffen sehr begrenzt, teuer und bei doppelt gekrümmten Teilen mit Versteifungselementen immer noch schwierig“, erklärt Guillaume Fourage, Ingenieur bei ESTIA und Koordinator des Projekts FRAMES. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts FRAMES erarbeiteten ESTIA-Forschende einen neuen Fertigungsansatz, um die Entwicklung zukünftiger moderner Flugzeugrümpfe und Leitwerke mit thermoplastischen Verbundwerkstoffen zu unterstützen.
Eine mehrteilige Strategie für die Herstellung thermoplastischer Verbundwerkstoffe
Das FRAMES-Team erstellte nicht nur ein spezifisches Fertigungskonzept, sondern mehrere Lösungen für ein breiteres Verfahrensspektrum, das bei der Herstellung von Flugzeugrümpfen zum Einsatz kommt. Dazu gehörten: ein Simulationswerkzeug zur Vorhersage der Verarbeitungstemperaturen bei der Herstellung von Rumpfhautfeldern durch automatisierte Faserplatzierung, Hochgeschwindigkeitsfertigungslösungen für Versteifungen (Strukturen, die dem Flugzeugrumpf hinzugefügt werden, um ihn zu stützen) und ein selbstbeheiztes Werkzeug zur Montage von Rumpfhaut und Versteifungen. Zur Herstellung komplexer Formen von Versteifungen verbesserte das FRAMES-Team bestimmte Herstellungsverfahren wie Heißprägen (für die Formgebung von Verbundwerkstoffen), kontinuierliches Fließpressen (eine Methode zur Herstellung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen) und Faserplatzierung. Und schließlich fertigten sie einen neuen Werkzeugsatz mit integrierten Heiz- und Kühlkanälen, um die Verbundwerkstoffe effektiver zu formen. Dieses im Projekt FRAMES erschlossene physikalisch-metallische Werkzeug für die Herstellung komplexer Versteifungen stellt einen Fortschritt bei der Verarbeitung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen dar. Es wurde so konstruiert, dass es die Wärmeausdehnung zwischen den verschiedenen Bauteilen reguliert und eine präzise Temperaturkontrolle über den gesamten Produktionszyklus hinweg gewährleistet, erklärt Fourage.
Simulation für mehr Präzision in der Fertigung
Das in FRAMES konzipierte Simulationswerkzeug fördert eine präzise Steuerung der Wärmeenergie, die dem Werkstoff während der Faserplatzierung zugeführt wird. Mit diesem Werkzeug lassen sich die Formprozesse für thermoplastische Werkstoffe optimieren, indem beispielsweise die Geschwindigkeit der Faserplatzierung erhöht und gleichzeitig der Energieverbrauch unter Kontrolle gehalten wird. „Es ist uns gelungen, stark gekrümmte Versteifungsprofile zu produzieren, einschließlich Dickenvariationen, und das innerhalb einer wettbewerbsfähigen Zykluszeit“, so Fourage.
Thermoplastische Verbundwerkstoffe in europäische Flugzeuge einbauen
Die über FRAMES gefundenen Lösungen werden demnächst in fortgeschrittenen Demonstrationsplattformen eingesetzt, an deren Erprobung große Flugzeugunternehmen in ganz Europa beteiligt sind. „Die Projektergebnisse werden die Herstellung einer Rumpfplatte unterstützen, wodurch Gewichtseinsparungen und Produktionsraten möglich werden“, fügt Fourage hinzu. Dank der von FRAMES gewonnenen Erkenntnisse wird das Team nun seine Prozessparameter weiter verfeinern und seine Kundschaft dabei unterstützen, ihre Leistungs- und Umweltziele zu erreichen. „Ich möchte dem Team für seine Bemühungen und sein Engagement in den letzten zweieinhalb Jahren danken, in denen es sich trotz schwieriger Momente auf die Projektziele konzentriert hat“, schließt Fourage. „Neben seinen technischen Errungenschaften war das Projekt FRAMES eine großartige europäische Zusammenarbeit.“
Schlüsselbegriffe
FRAMES, Rumpf, Luft- und Raumfahrt, fortschrittlich, Verbundwerkstoffe, Produktion, Simulation, Fertigung
