Von Marcus Rauch und Stefanie Wrobel, Nürnberg
Die Luftfahrt ist in zunehmendem Maße aufgrund der hohen Anforderungen an Umweltfreundlichkeit bei steigender Attraktivität auf die Entwicklung von neuen Werkstoffen und Verfahren zur Verarbeitung von Werkstoffe angewiesen. Vor allem die faserverstärkte Kunststoffe und verbesserte Leichtmetallvarianten spielen hier eine wichtige Rolle. Aber auch neue Verarbeitungsverfahren bei bekannten Werkstoffen führen zu höheren Festigkeiten. Dazu sind intensive und umfassende Arbeiten zwischen verschiedenen Fachgebieten von der Werkstoffentwicklung über die Verarbeitungs- und Fertigungstechnik bis zur Oberflächentechnik notwendig.
Fliegen ist heute populärer denn je. In der Folge steigen der Luftverkehr wie auch der Umsatz der Luftfahrtindustrie weiter an. Ein Beleg ist unter anderem der Erfolg der beiden Branchengrößen EADS und Boeing auf der Dubai Airshow 2013 vom 17. bis zum 21. November. So gingen allein bei Boeing Bestellungen und Verpflichtungen über mehr als 340 Flugzeuge im Gesamtwert von 101 Milliarden Dollar ein. 160 Bestellungen und Kaufabsichtserklärungen mit einem Volumen von etwa 44 Milliarden Dollar konnte Airbus in Dubai erzielen. Nach der Studie Flightpath 2050, die von einer hochrangigen Forschergruppe aus Luftverkehr und Luftfahrt für die europäische Union erarbeitet wurde, wird sich die Anzahl an Flugzeugen im Luftverkehr in den kommenden 20 Jahren mehr als verdoppeln, die Anzahl an Fluggästen wird sich in 40 Jahren mehr als verfünffacht haben. Dies bedeutet alleine für Europa eine Steigerung der Flugbewegungen von heute etwa 10 Millionen auf annähernd 25 Millionen in 2050. Dies hat auch zur Folge, dass die Anforderungen in Bereichen wie Infrastruktur oder auch Energieeffizienz und Nachhaltigkeit weiter steigen. Schon in der ACARE Vision 2020 waren die Ziele in diesem Bereich hoch: Bis zum Jahre 2020 soll eine Kraftstoffeinsparung von 50 % sowie eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes um 50 % und des NOx-Ausstoßes um 80 % realisiert werden. Diese Vorgaben werden in Flightpath 2050 noch einmal heraufgesetzt. Neue Zielwerte sind danach 90 % weniger Stickoxidemissionen, 75 % weniger Kohlenstoffdioxidemissionen sowie eine Lärmreduzierung um 65 %.
Um diese Ziele zu erreichen, ist die – aufeinander abgestimmte – Optimierung von verschiedenen Aspekten wie der Aerodynamik, der Triebwerksarchitektur oder der Flugzeugstruktur, bis hin zu neuen Energieträgern und zum Luftverkehrsmanagement notwendig. Sieht man sich beispielhaft die Struktur genauer an, zeigt sich, dass die tragenden Elemente rund 25 % am Leergewicht eines Kurzstreckenflugzeugs ausmachen. Wird dieser Anteil um 4 % reduziert, so die Aussage des DLR in Braunschweig, wird das Abfluggewicht um bis zu 13 % vermindert, was zu einer Senkung des Treibstoffverbrauchs und der Kohlenstoffdioxidemissionen von rund 10 % führen kann. Dieses Beispiel zeigt, dass Werkstoffe eine wesentliche Rolle spielen werden, um die oben genannten Ziele zu erreichen.
Ein Werkstoff, der in diesem Zusammenhang im Fokus von Forschung und Entwicklung steht, ist der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff (CFK). In der Luftfahrt findet CFK schon seit vielen Jahren Verwendung, aber erst mit dem Airbus A380 oder der Boeing 787 wird CFK auch in größerem Maßstab eingesetzt. So beträgt der Anteil beim A380 knapp 22 % und beinhaltet Bauteile wie die Druckkalotte, den Flügelmittelkasten oder auch das Höhenleitwerk. Bei der Boeing 787, auch bekannt als Dreamliner, beträgt der CFK-Anteil sogar rund 50 %. Hier wird die komplette Rumpfstruktur mittels eines Wickelprozesses aus CKF gefertigt. Auch dieser Wert wird noch übertroffen. Der Airbus A350 XWB besteht zu 53 % aus CFK-Bauteilen und hält derzeit auch den Rekord für die größten aus CFK hergestellten Flugzeugteile. Die Tragflächen sind inklusive der oberen und unteren Abdeckung 32 m lang und 6 m breit. Der Flügelmittelkasten besteht zu 40 % aus CFK und hat die Maße 5 x 5,5 x 3,9 Meter.
Bei der Fertigung von CFK-Bauteilen dieser Größenordnung liegt eine Herausforderung bei der Automatisierung. Ein Lösungsansatz ist die Automated Fiber-Placement (AFP) Technologie zur Herstellung der Außenhaut. Nachdem AFP lange Zeit nur im Bereich der Forschung und Entwicklung eingesetzt wurde, ist die Technologie heute auch in der industriellen Produktionstechnik zu finden. Beim AFP werden automatisch mehrere individuelle, vorimprägnierte Bänder mit hoher Geschwindigkeit mittels eines computergesteuerten Ablagekopfes auf einer Form abgelegt. Hierbei können mehrere Bänder durch ein Spulengatter zugeführt werden. Die Anzahl kann variiert werden von ein oder zwei bis zu 32 Bändern, die gleichzeitig abgelegt werden. Doch trotz solcher Automatisierungslösungen sind die Produktionszyklen immer noch sehr lang, unter anderem aufgrund der Verwendung von duroplastischen Matrixmaterialien mit langen Aushärtezeiten.
Da sich mit der Erhöhung der Flugzeugproduktion auch die Anzahl an Bauteilen erhöht, werden bei manchen Gleichteilen wie beispielsweise Stringer, Spanten oder Clips mittlerweile große Stückzahlen erreicht, so dass schon von einer Großserienproduktion gesprochen werden kann. Hier bieten sich thermoplastische Werkstoffe als Matrixmaterialien an, mit denen deutlich kürzere Zykluszeiten realisiert werden können. Die Luftfahrtindustrie hat diese Potenziale erkannt und ihr Know-how im Bereich der thermoplastischen Faserverbundmaterialien ausgebaut. Ein Beispiel hierfür sind die hochbelasteten Clips zwischen Außenhaut und Spanten. Seit 2006 arbeitet die Airbus Operations GmbH in Bremen daran, die ursprünglich aus Aluminium gefertigten Clips durch solche aus thermoplastischem CFK zu ersetzen. Hier kommt ein thermoplastischer Umformprozess mit einem faltbaren Rahmen zum Einsatz, wodurch hochkomplexe autostabilisierte CFK-Clips entstehen – verbunden mit einer Kosten- und Gewichtsersparnis von rund 40 %. Von diesen Clips wurden bereits mehr als 10.000 Stück für die Produktion des A350 XWB automatisiert gefertigt.
Auch wenn CFK inzwischen einen hohen Anteil im Materialmix der heutigen Generation von Flugzeugen besitzt, sind metallische Werkstoffe nicht wegzudenken. Der Anteil an Aluminium am Leergewicht des A380 liegt bei rund 80 %. Neben dem Einsatz von Aluminiumlegierungen bei den Flügeln war auch das High-Tech Material GLARE – Glass Laminate Aluminium Reinforced Epoxy – von Bedeutung. Hierbei werden Lagen von dünn gewalzten Aluminiumblechen mit Glasfaserpregregs verbunden. Durch die unidirektionale Anordnung der Fasern in Belastungsrichtung werden hohe Zugfestigkeiten und Steifigkeiten erreicht. So entsteht ein Hochleistungscomposite, welches sich durch einen hohe Schadenstoleranz, sehr guten Brand- und Korrosionsschutz sowie ein geringes spezifisches Gewicht auszeichnet. Demgegenüber stehen der verhältnismäßig hohe Preis und die schwierigere Verformbarkeit.
Eingesetzt wird GLARE bei der Außenhaut des A380 im Bereich der oberen Rumpfschale. Während bei der Frachtversion des A380 schon die nächste Generation von GLARE, High Static Strength GLARE, zum Einsatz kommt, verzichtet Airbus beim A350 XWB auf das High-Tech-Material. Nichts desto trotz liegt der Anteil an metallischen Werkstoffe bei 40 %, welches sich aufteilt in 19 % Aluminium und Aluminiumlegierungen, 14 % Titan und 7 % Stahl. Titan wird für die Landeklappen, die Pylone und Anbindungen eingesetzt, Aluminium und Aluminiumlegierungen kommen insbesondere im Bereich der Rahmen, Rippen sowie Bodenträger zur Anwendung.
Die Grenzen des Einsatzes von Aluminium weiter zu verschieben, ist ein aktuelles Forschungsthema. Eine Herausforderung ist in diesem Zusammenhang die Formbarkeit von Aluminiumlegierungen. Stahl zeigt beispielsweise ein Verformungsverhältnis von 2,4, Aluminium von 1,9. Hier setzt das Konzept der Tailored Quenched Blanks an. Das Verfahren beruht auf einer lokalen Abschreckung lösungsgeglühter Aluminiumhalbzeuge. Nach aktuellen Untersuchungsergebnissen kann so ein unterschiedlicher Wärmebehandlungszustand über Zeiträume von mehr als 4 Monate eingestellt werden. Die resultierenden Zonen zeigen ein unterschiedliches Umformverhalten und können somit für die maßgeschneiderte Bauteilgestaltung verwendet werden. Der Festlegung der unterschiedlichen Behandlungszonen liegt die Simulation des Bauteilverhaltens zu Grunde und ermöglicht eine optimale Einstellung der Werkstoffeigenschaften im Halbzeug. Im Vergleich mit herkömmlichen Tailored Blanks zeigt sich eine Reduzierung der benötigten Umformkräfte sowie eine Verminderung der kritischen Formbarkeit mit Tailored Quenched Blanks. Dies gibt auch Raum für den Einsatz der Technologie in der Luftfahrt, insbesondere für die Herstellung von Bauteilen für die Außenhaut und der vorderen Rumpfstruktur.
Untere Flügelabdeckung des A350 XWB – eines der größten für die zivile Luftfahrt produzierten CFK-Bauteile (Copyright Airbus S.A.S.)
Neben der Entwicklung von neuen Aluminiumlegierungen und neuen Fertigungstechnologien ist die Additive Fertigung (Additive Manufacturing AM) eine weiterer Trend bei metallischen Werkstoffen. Das Grundprinzip der additiven Fertigung beruht auf einem schichtweisen Aufbau der Bauteilstruktur. Hierzu wird 3D-CAD-Modell über eine so genannte Standard Triangulation Language (STL) Schnittstelle an die Software der Fertigungsmaschinen übergeben. Das Modell wird rechnerisch in Einzelschichten zerlegt und anschließend das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut und gefertigt. Im Bereich der Metalle sind hier insbesondere das Selektive Laser Sinterverfahren und das Elektronenstrahlschmelzen von Interesse. Aktuelle Beispiele aus der Luftfahrtindustrie sind Turbinenschaufeln aus Titanaluminad für Snecmas Leap Triebwerke von Avio, die mittels Selektiven Elektronenstrahlschmelzens gefertigt werden. EADS Innovation Works hat zusammen mit Altair und EOS eine Topologie optimierte lasteinleitende Klammer entwickelt, die mittels Laserschmelzen hergestellt wird.
Insbesondere im Bereich des funktionellen Prototypenbaus und bei der Erstellung von Kleinserien gewinnt die Additive Fertigung immer mehr an Bedeutung. Das Thema individuelle und flexible Serienfertigung ist für die Luftfahrt von großem Interesse, da hierdurch unter anderem eine höhere Flexibilität beim Design und Möglichkeiten für kurzfristige Optimierung der Bauteilgeometrie gegeben sind. Die detaillierte Betrachtung der AM-Prozesskette macht jedoch deutlich, dass es sich um eine hochkomplexe Fertigungstechnologie handelt, bei der eine Vielzahl an technischen und wirtschaftlichen Kundenanforderungen zu berücksichtigen ist, wie zum Beispiel gute Reproduzierbarkeit auch spezieller Materialkennwerte wie hohe Zugfestigkeiten und E-Moduli, kurze Lieferzeiten und geringe Kosten. Ob diese Anforderungen erfüllt werden können, hängt von einer Vielzahl an (Produktions-)Parametern ab. Beim Prozess sind Parameter wie Schichtstärke, Auftragsgeschwindigkeit oder auch der Einsatz von Schutzgas oder Vakuum von großer Bedeutung. Werden beispielsweise die Pulvereigenschaften betrachtet, so zeigt sich, dass hier Eigenschaften wie Form, Fraktion, Legierungsbestandteile oder auch die Lagerung einen großen Einfluss auf das Endprodukt haben.
Additive Fertigung – Trendthema in der Luftfahrt (Copyright: Bayern Innovativ)
Die Luftfahrt ist ein Innovationstreiber für den Einsatz von neuen Werkstoffen und neuen Produktionsverfahren. Doch auch in Branchen wie dem Automobilbau und der Medizintechnik stehen die Themen faserverstärkte Kunststoffe, neue Metallwerkstoffe sowie Umformtechniken und additive Fertigung ganz oben auf der Agenda. Ein wesentlicher Trend hierbei ist das Zusammenwachsen von Fertigungstechnik und Materialentwicklung, denn immer häufiger entsteht der Werkstoff erst bei der Bauteilherstellung. Dies gilt insbesondere für die Additive Fertigung oder innovative Technologien zur Umformung. Aus diesem Grunde erfordern Entwicklungen mit neuen Materialien heutzutage im frühen Stadium eine enge und zielgerichtete Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungsketten, über Technologien und Branchengrenzen hinweg.
Aus Sicht der Netzwerkarbeit bietet sich dadurch viel Potenzial für einen branchen- und auch technologieübergreifenden Austausch und somit die Erschließung vom Synergien für neue Innovationen und Produkte. Eine Plattform für einen solchen Austausch ist das Symposium Material Innovativ des Clusters Neue Werkstoffe der Bayern Innovativ GmbH, das am 26. Februar 2014 in Fürth/Bayern stattfinden wird. Es konzentriert sich in diesem Jahr in seiner werkstoffspezifischen und technologischen Ausrichtung auf Verfahren zur additiven Fertigung sowie der Umformung von metallischen und polymeren Werkstoffen und deren Verbundsystemen. Die Branchenschwerpunkte liegen auf Innovationen in der Mobilität und der Medizintechnik.
Bayern Innovativ GmbH,
Cluster Neue Werkstoffe, Nürnberg
- www.bayern-innovativ.de
