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Forschung Erleben

Flugzeugleichtbau leicht gemacht

Produktion von Bauteilen aus Faser­ verbundwerkstoffen soll schneller werden
[Foto: Universität Stuttgart/ IFB]

Ein europäisch-japanisches Forschungskonsortium will bestehende Schwächen von Faserverbundwerkstoffen ausmerzen, die in der Luftfahrt bereits breite Anwendung finden. So sollen die Flugzeughersteller der steigenden Nachfrage im Luftverkehr gerecht werden und gleichzeitig energieeffizientere Maschinenbauen können. Mit an Bord: das Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart.

Wer die neueste Version des Airbus A350 vor sich sieht, wird mit dem Passagierflugzeug vermutlich nicht den Begriff„Leichtgewicht“ in Verbindung bringen. Aber in gewisser Hinsicht ist er das. 52 Prozent seines Flugwerks – Rumpf, Tragflächen, Leitwerk, Fahrwerk – bestehen aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen. Nur knapp die Hälfte ist aus Metallen gefertigt, die zwei- bis fünfmal schwerer sind. Hersteller Boeing nennt für sein neuestes Modell 787 beim Leichtbauanteil einen ähnlichen Wert wie der europäische Wettbewerber beim A350. „Leichtere Flugzeuge bedeuten einen geringeren Kerosinverbrauch“, fasst Dr. Stefan Carosella das Interesse der Luftfahrtindustrie an Faserverbundwerkstoffen zusammen.

Und neben Antrieb und Aerodynamik ist das Gewicht eines Passagier- oder Frachtflugzeugs eine der maßgeblichen Stellschrauben für noch effizientere Maschinen. Carosella erforscht als Gruppenleiter Faserverbundtechnologie am Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart. „Zwar sind Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau inzwischen ein etabliertes Material, aber sie sind nicht unproblematisch“, sagt er. Die Schwierigkeiten, die der Luft- und Raumfahrtingenieur meint, treten in der Produktion auf: Sie dauert zu lange. Denn damit Faserverbundwerkstoffe die notwendige Steifigkeit erreichen, müssen sie aushärten. Dies geschieht in einem Autoklaven, einer Art Schnellkochtopf, bei hohen Temperaturen und unter Druck.

„Im Flugzeugbau sind diese Autoklaven haushohe Öfen, in denen Rumpfstrukturen von zehn Meter Länge und sechs Meter Durchmesser Platz haben“, verdeutlicht Carosella die Dimensionen. „Bei zehnfachem Atmosphärendruck und 180 Grad Celsius dauert das Aushärten Tage.“ Schließlich muss der gigantische Autoklav zunächst aufgeheizt und später wieder abgekühlt werden.

 (c) Universität Stuttgart/ IFB
Bei den „Out-of-Autoclave-Prepregs“ handelt es sich um Matten aus Kohlefasern, die mit einem Harz getränkt sind. Sie härten ohne Autoklav in einer Form aus, in die eine Heizung integriert ist.

Kooperation mit Japan

Der Prozess in dieser Form lässt sich kaum beschleunigen – und wird so zum Nadelöhr in der Produktion. Derzeit schaffen die Hersteller es gerade mal 25 bis 30 Flugzeuge im Monat fertigzustellen. Um der prognostizierten Nachfrage gerecht zu werden, müssten sie ihre Leistung jedoch verdoppeln. Dass sich das erreichen lässt, dazu soll auch das Forschungsprojekt EFFICOMP (Effi cient Composite Parts Manufacturing) beitragen, an dem Carosellas
Institut beteiligt ist.

Ziel des Projekts, das im April 2016 begann und drei Jahre läuft, ist die effizientere Fertigung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen. Den vier Projektpartnern stehen hierfür rund 1,7 Millionen Euro aus Mitteln der Europäischen Union zur Verfügung. Zusätzlich kooperieren die Europäer mit vier japanischen Partnern – eine Strategie der EU, damit die europäischen Forschungspartner in wichtigen Feldern international agieren. Zwar wird das japanische Teilkonsortium von japanischer Seite finanziert, aber es gibt einen gemeinsamen Projektplan und die beiden Teilkonsortien tauschen ihre Ergebnisse aus.

Die Japaner erforschen neue Konzepte für den Blitzschutz von Flugzeugen, in denen Faserverbundwerkstoffe verbaut sind. Eigentlich wird ein einschlagender Blitz über die metallische Außenhaut eines Flugzeugs abgeleitet. Genau wie ein Auto wirkt es als Faradayscher Käfig. Faserverbundwerkstoffe sind jedoch schlechte Stromleiter, sodass man Drahtgitter aus Kupfer integrieren muss – mit Nachteilen für das Gewicht. Die japanischen Forscher arbeiten an einem Blitzschutzkonzept, das weniger zulasten des Gewichts geht. Auf europäischer Seite wiederum forscht die TU Delft an besseren Verbindungstechniken zwischen fertig ausgehärteten Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen. Kleben und Nieten sind dabei im Flugzeugbau die von den Aufsichtsbehörden zugelassenen Verfahren. Projektkoordinator Airbus untersucht, wie sich dicke Komponenten aus Faserverbundwerkstoffen etwa durch Pressen umformen lassen, wobei „dick“ hier bereits bei zehn Millimetern beginnt. Und das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt beurteilt alle im Projekt neu erarbeiteten Prozesse aus betriebswirtschaftlicher Sicht.

Aushärten in beheizter Wanne

Carosellas Institut erarbeitet im Rahmen von EFFICOMP einen Produktionsprozess, der ohne Autoklav auskommt. „Wir verwenden hierfür sogenannte Out-of-Autoclave-Prepregs“, erklärt der Ingenieur. Dabei handelt es sich um Matten aus Kohlefasern, die mit einem Harz getränkt sind. Universität Stuttgart „Prepregs werden heute bereits im Flugzeugbau verwendet, weil sie aufgrund der gestreckten Anordnung der Fasern die höchste Stabilität ermöglichen.“

Ihr Aushärten im Autoklav erfolgt in einer Form. Carosella und sein Team kommen ohne Autoklav aus. Sie hatten in einem früheren Forschungsprojekt einen Prozess für die Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen für den Automobilbau entwickelt, den sie nun auf Flugzeuge übertragen. Er funktioniert bereits bei geringeren Temperaturen und bei normalen Druckverhältnissen. Die Wissenschaftler bringen die Out-of-Autoclave-Prepregs dazu in eine Kunststoffform ein, in die eine Heizung integriert ist. „Wir müssen dann nicht so stark aufheizen wie im Autoklaven, und weil die Form dünn ist und wenig Masse hat, lässt sie sich viel schneller aufheizen und abkühlen.“ Das senkt die Standzeiten und damit die Verarbeitungsdauer. Das Prinzip funktioniert also bereits.

Nun geht es darum, den Prozess tatsächlich industrietauglich zu machen. Dazu gehört auch eine Automatisierung: Wie das bereits heute im Flugzeugbau zum Teil geschieht, fertigen auch beim Stuttgarter Prozess Roboter die Prepreg-Strukturen. „Unser Ziel ist ein kleiner Demonstrator, der Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen in der Größe von drei bis vier Quadratmetern fertigen kann“, sagt Carosella. „Wir sind bereits um einen Faktor fünf besser als der Autoklav.“ Das hieße: zweieinhalb, statt zwölf Stunden Prozessdauer.
Michael Vogel

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Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin; Forschungspublikationen