Komposite für Flugzeuge kostengünstiger herstellen
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK, Carbon fibre-reinforced plastic, CFRP) werden in immer stärkerem Maße bei der Fertigung von Flugzeugbauteilen angewandt. Kohlenstofffaserverstärkte Polymere weisen einen hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf, was zu einer hohen mechanischen Leistungsfähigkeit bei geringerem Treibstoffverbrauch und weniger Emissionen führt. In den Langstreckenflugzeugen von heute finden sich CFK-Bauteile, die hauptsächlich mit kostenintensiven topmodernen Fertigungsverfahren hergestellt werden. Das EU-finanzierte Projekt "Industrialization of manufacturing technologies for composite profiles for aerospace applications" (IMAC-PRO) entwickelte deshalb kostengünstige Produktionsketten für Versteifungen aus kohlenstofffaserverstärkten Polymeren. Projektschwerpunkt waren zwei Typen von Flugzeugbauteilen: die Stringer (Längsversteifungen) des Flugzeugrumpfs sowie Rahmen und Balken. Man entwickelte drei verschiedene Technologien zum Stringer-Preforming. Es wurde ein diskontinuierliches Heißpressverfahren (HP) verwendet, um Gelegematerial zu formen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten außerdem eine Produktionsroute zum Faserverbund-Preforming (fibre patch pre-forming, FPP) für ein integriertes Preformband aus einzelnen Patches, die aus unidirektionalen (UD) Glasbändern in Form eines T-Stringers geschnitten werden. Zum Abschluss entwickelten sie eine Vorform für gekrümmte Stringer, die aus Stringern besteht, die aus röhrenförmigen geflochtenen Strängen hergestellt sind. Zum Härten der Stringer wurden Pultrusions- und Infusionstechnologien untersucht. Obgleich die HP-Technologie ausgereift ist, hat FPP aufgrund der schnelleren Produktionsgeschwindigkeiten ein höheres Potenzial für die hochvolumige Fertigung. Zwei schwere Profile, ein JF-Rahmen und ein C-Balken, wurden zur Entwicklung des für die Rahmen- und Balkenfertigung geeigneten Preformings ausgewählt. Die unidirektionale Flechttechnologie zur Fertigung von auf Textilien basierenden Kompositen ist das bevorzugte Preforming-Verfahren, um die Grenzen der Prepregs zu umgehen. Bei diesen vorimprägnierten Fasern ist bereits eine Matrix vorhanden. Unidirektional geflochtene Vorformlinge werden aus trockener Kohlenstofffaser hergestellt. Diese Preformen werden dann mit Harz infundiert, gehärtet und fertigbearbeitet. Für jedes Profil wurden neue Härtewerkzeuge hergestellt. Dabei kam eine neuartige Technologie zum Einsatz, die eine sehr kurze Infusionszeit vor dem Schließen der Form zum Benetzen und Härten ermöglicht. Die UD-Technologie erwies sich bei der kostengünstigen abfalloptimierten Fertigung komplexer gekrümmter Preformen als höchst effektiv. Spanten, Stringer, Bodenträger und Balken im Rumpf sind wichtige Leichtbaustrukturen mit hoher Steifigkeit und Festigkeit, die in hohem Maße für die aerodynamische Form eines Flugzeugs verantwortlich sind. Eine optimierte Bauform sowie die kostengünstige Fertigung derartiger Bauteile, wie sie im Rahmen des IMAC-PRO-Projekts demonstriert wurden, werden heftige Auswirkungen auf die Wettbewerbsfähigkeit der EU-Luftfahrtindustrie haben.
