Faserverbundkunststoffe in der Luftfahrt: COMPOSITES EUROPE setzt Trends

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Der neue Airbus A350 XWB besteht zu 53 Prozent aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen (CFK). Und auch die neue 787 von Konkurrent Boeing besteht zur Hälfte aus Composites-Strukturen. Die Zahlen illustrieren eindrucksvoll: Composites sind beim Flugzeugbau nicht mehr wegzudenken. Den neuesten Stand der Entwicklung zeigt vom 17. bis 19. September die Fachmesse COMPOSITES EUROPE in Stuttgart. Unter den mehr als 400 Aussteller präsentieren auch Rohstofflieferanten, Maschinen- und Anlagenhersteller sowie und Forschungsinstitute wie u.a. die Flugzeugunion Süd, Rampf Tooling, Evonik Industries oder die Fraunhofer Institute LFB und IFAM ihre Neuentwicklungen für den Flugzeugbau.

Auf diesen Tag hatte die Fachwelt mit Spannung gewartet: Am 14. Juni 2013 Uhr hob im französischen Toulouse der neue Airbus A350 XWB zu seinem Jungfernflug ab. Der erfolgreiche Start des zweistrahligen Großraum-Passagierjets ist ein Meilenstein in der Geschichte des Flugzeug-Herstellers und ein Beweis für das enorme Entwicklungspotenzial von Verbundwerkstoffen als Leichtbaukomponenten. Nach Airbus-Angaben bestehen beim A350 XWB der Rumpf komplett und das gesamte Flugzeug zu 53 Prozent aus Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK).

So sind die 32 Meter langen und sechs Meter breiten Tragflächen inklusive der oberen und unteren Abdeckungen die größten jemals aus CFK hergestellten Flugzeugteile. Auch der beeindruckende Flügelmittelkasten des A350 XWB – 6,5 Meter lang, 5,5 Meter breit und 3,9 Meter hoch – besteht zu 40 Prozent aus CFK. Die hochkomplexe Rumpfstruktur des Flugzeugs, die sich in drei Sektionen gliedert, wird ebenfalls zum Großteil aus Verbundwerkstoffen gefertigt. Für diese Leichtbau-Strukturen kommen modernste Verarbeitungstechnologien zum Einsatz. Die Herstellung der Außenhaut erledigen Harzfaser-Legemaschinen (Fiber-Placement-Anlagen), das Aushärten erfolgt in riesigen Drucköfen (Autoklaven). In einem tagelangen Prozess werden dabei millimeterdünne CFK-Bänder abgelegt und anschließend unter Druck und Hitze zusammengebacken.

Auch bei anderen modernen Flugzeugen sind die Faserverbundwerkstoffe nicht mehr wegzudenken. So beträgt ihr Anteil beim großen A380, dem Giganten der Lüfte, immerhin 28 Prozent. Die neue 787 von Konkurrent Boeing, Dreamliner genannt, besteht ebenfalls zur Hälfte aus diesen Strukturen. Die Zahlen illustrieren eindrucksvoll: Composites sind beim Flugzeugbau nicht mehr wegzudenken.

COMPOSITES EUROPE zeigt neue Leichtbaukonzepte

Genau das haben die Veranstalter der internationale Fachmesse COMPOSITES EUROPE, die vom 17. bis 19. September 2013 in Stuttgart stattfindet, bereits vor Jahren erkannt und deshalb Leichtbaukonzepten für die Luftfahrt stets einen großen Stellenwert eingeräumt. Dies wird auch in diesem Jahr wieder so sein. Mit der Flugzeugunion Süd präsentiert sich beispielsweise eine andere Tochter der Airbus-Mutter EADS, die Vakuumhilfsmaterialien zur Herstellung von Glas- und Kohlefaserbauteilen (GFK und CFK) vertreibt. Neben den Verarbeitern von Faserverbundkunststoffen stellen auf der CE zudem zahlreiche Maschinen- und Anlagenhersteller ihr Können unter Beweis und zeigen an ihren Messeständen hochmoderne Fertigungstechnik für die Aerospace-Industrie. Und nicht zuletzt geben sich Rohstoff-Lieferanten ein Stelldichein.

Epoxid- und PUR-Systeme von Rampf Tooling

Einer davon ist Rampf Tooling. Der führende Hersteller von Flüssig-, Pasten-, Close Contour- und Blockmaterialien für den Formen- und Modellbau hat zahlreiche Produkte und Lösungen für den Leichtbau mit dem Schwerpunkt Luftfahrt entwickelt. Dazu zählen Epoxid- und PUR-Systeme, welche in verschiedenen Produktionsverfahren, wie zum Beispiel Handlaminat, Vakuumsackverfahren, Harzinfusion, Prepreg, Autoklav, Pressverfahren oder RTM verarbeitet werden können und einen weiten Temperaturbereich abdecken. Ein Beispiel ist das Material Raku-Tool CC-6503, das bei der Herstellung eines Flugzeug-Schalldämpfers zum Einsatz kommt.

Die exzellente, fugenlose Oberfläche dieses Close-Contour-Casting-Produkts ist speziell für die Herstellung von Legewerkzeugen geeignet und bietet dem Kunden wesentliche Vorteile. So werden die CCC-Materialien als dreidimensionale Gießlinge bereits nahe an der Endkontur vergossen und fräsbereit geliefert. Die Formen- und Werkzeugmaterialien zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Fräsbarkeit, den Wegfall der Handhabung von Flüssigchemikalien sowie eine gute Dimensions-Stabilität aus. Aufgrund der konturnahen Form entsteht weniger Abfall und die Endkontur kann unter verminderter Abnutzung schneller gefräst werden.

Struktur-Schäume von Evonik

Mit Evonik Industries präsentiert sich auf der COMPOSITES EUROPE auch ein Schwergewicht aus dem Bereich Werkstoffe. Das Unternehmen hat im Frühjahr 2013 das Projekthaus Composites gestartet, in dem neue Materialien und Systemlösungen für den Leichtbausektor entwickelt werden, die unter anderem auch auf Anwendungen in der Luftfahrtindustrie zielen. Damit will das Spezialchemie-Unternehmen seine strategische Forschung für ressourceneffiziente und nachhaltige Lösungen insbesondere im Bereich der Mobilität intensivieren.

Die Themen des Projekthauses orientieren sich an aktuellen und zukünftigen Kundenbedürfnissen wie einer schnellen und wirtschaftlichen Verarbeitbarkeit der Verbundwerkstoffe. Dr. Dahai Yu, im Vorstand von Evonik zuständig für das Segment Specialty Materials: „Wir wollen mit dem Projekthaus Composites unsere Kompetenzen bei Verbundwerkstoffen weiter ausbauen. Mit innovativen Verbundwerkstoffen können wir zugleich einen wichtigen Beitrag zu mehr Ressourceneffizienz leisten.” Schon jetzt bedient Evonik gezielt Anwendungen in der Leichtbauindustrie. Beispiele sind Rohacell etwa als Strukturschaum in Faserverbundbauteilen sowie Vestamin als Härter-Komponente duroplastischer Matrix-Systeme und Vestakeep als Matrix für thermoplastische Composites.

Fraunhofer LFB: Vereisungsschutz auf Basis von Carbon Nano Tubes

Ein neuartiges Vereisungsschutz-System für Flugzeuge basierend auf Carbon Nano Tubes (CNT) haben Wissenschaftler vom Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, das sich auf der COMPOSITES EUROPE vorstellt, entwickelt. Es wurde an einem Modell einer beheizbaren Flugzeugflügelvorderkante aus Faserverbund erfolgreich getestet und wird als elektrische Widerstandsheizung verwendet. Aktuell erreicht die Heiztemperatur bis zu 120 °C bei Raumtemperatur. Da das System kein Metall enthält, ist es besonders für CFK-Bauteile geeignet. Die Erprobung im Windkanal zeigte vielversprechende Leistungen sowohl im De-Icing-Modus (Enteisung), bei dem ein Flügel künstlich vereist wurde, als auch im Anti-Icing-Modus (Vereisungsschutz), der Eisablagerung bei einem simulierten Flug durch Wolken bei niedrigen Temperaturen verhindert.

Zur Strukturüberwachung von Flugzeugteilen aus Kunststoff können unterschiedliche Sensorsysteme eingesetzt werden. Die Fraunhofer-Experten haben große Faserverbundbauteile – so genannte Panels – mit Zweikanal-Lichtleitern zur Lastüberwachung und Piezokeramik-Sensoren bzw. Aktoren zur Überwachung der strukturellen Integrität mittels akustischer Methoden ausgestattet. Eine miniaturisierte Hardware dient der Datenüberwachung. Dabei ist es erstmals gelungen, die komplette Entwicklungskette von der Idee bis zum Test mit einer Last von 20 Tonnen zu schließen. Das Fraunhofer LBF arbeitet für die Luftfahrtindustrie im Bereich der Betriebsfestigkeit und Sicherheit von Strukturkomponenten mit dem Ziel, bei gleichbleibender Sicherheit, Kosten und Gewicht zu reduzieren.

Fraunhofer IFAM: Funktionale Beschichtungen

Auch die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das ebenfalls auf der COMPOSITES EUROPE vertreten ist, beschäftigen sich in Kooperation mit europäischen und japanischen Partnern mit Enteisungstechnologien für die Luftfahrt. Zielsetzung ist dabei ein integriertes System, das drei Komponenten umfasst: aktive Enteisungstechnik, funktionale Beschichtungen, die die Enteisungsfunktion unterstützen, sowie eine Sensortechnik, die nicht nur die Vereisung, sondern auch die Enteisung in Echtzeit überwacht. Die Bildung von Eis kann insbesondere an den Flügeln zu massiven Problemen führen, da sowohl die Aerodynamik negativ beeinflusst wird als auch das Gewicht des Flugzeugs stark zunehmen kann.

CFK-Prepags von Gurit

Mit Gurit präsentiert sich auf der COMPOSITES EUROPE zudem ein Technologieunternehmen, das in ein Forschungsprojekt der NASA eingebunden ist, bei dem es um den Einsatz von Leichtbaustrukturen in der Raumfahrt geht. Dabei untersuchen die Wissenschaftler anhand eines Testballons, welchen Einfluss die Bedingungen in der Stratosphäre auf die die Polymerisierung in der Polymermatrix von Composites haben. Das britische Unternehmen stellt dafür sein CFK-Prepreg SE 70 zur Verfügung. Mit Hilfe zahlreicher Sensoren werden verschiedenste Daten ermittelt und anschließend von den Wissenschaftlern ausgewertet.

Die Beispiele zeigen, dass die COMPOSITES EUROPE mit der Luftfahrt einen der wichtigsten Absatzmärkte für Composites zu Recht in den Fokus rückt. Auch in den kommenden Jahren gehen Experten von einem signifikanten Wachstum in diesem Segment aus. So heißt es im Composites-Marktbericht 2012 der AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe, die die COMPOSITES EUROPE unterstützt, dass sich bis 2030 die Flotten der Fluggesellschaften mehr als verdoppeln würden. Dabei wird der CFK-Markt derzeit hauptsächlich durch die Entwicklung bei den Großraumflugzeugen der A350-Familie von Airbus und aus dem 777- und 787- Programm von Boeing beeinflusst. „Basierend auf den Prognosen von Analysten werden im Jahre 2020 geschätzt ca. 9.000 Tonnen Carbon-Fasern für Großraumflugzeuge verarbeitet werden”, heißt es in dem Bericht.

Bild: Der Rumpf des Airbus A350 XWB besteht zum Großteil aus CFK. (Foto: Airbus)

 

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