CO2-Lasersystemtechnik des Fraunhofer IWS ermöglicht effizientes Verbinden
großvolumiger Flugzeugstrukturen auf Faserverbundbasis
Einen entscheidenden Fortschritt auf dem Weg in Richtung neuer
ökologischer Flugzeugbaukonzepte hat das Fraunhofer-Institut für
Werkstoff- und Strahltechnik IWS erzielt. Ein Forscherteam aus Dresden
erbrachte innerhalb des EU-Programms Clean Sky 2 im Projekt
»Multifunctional Fuselage Demonstrator« (MFFD) den Nachweis zum spanlosen
Fügen von kohlenstofffaserverstärkten Bauteilstrukturen aus Thermoplast.
Der entwickelte automatisierte Verfahrensansatz verband die obere und
untere Hälfte des weltweit größten CFRTP-Flugzeugrumpfsegments. Die
neuartige Bauweise sowie das eingesetzte CONTIjoin-Verfahren ermöglichen
neben dem Einsparen von Arbeitsaufwand, wie etwa beim Bohren und Nieten,
massive Gewichts-, Material- und Zeitreduktion. Das soll die Produktion
zukünftiger Verkehrsflugzeuge schneller, umweltfreundlicher und
wettbewerbsfähiger gestalten. Die Forschenden präsentieren ihre Ergebnisse
und die Systemtechnik auf der Internationalen Luft- und
Raumfahrtausstellung ILA 2024 in Berlin.
Produktionstechnologien für den thermoplastischen Rumpf von morgen
erforscht ein internationales Konsortium unter der Leitung von AIRBUS. Im
Rahmenprogramm »Large Passenger Aircraft« (LPA) gelang es innerhalb des
MFFD-Projekts dem Team um Dr. Maurice Langer, Gruppenleiter Kleben und
Faserverbundtechnik am Fraunhofer IWS, erstmals weltweit unter Einsatz
einer CO2-Laserstrahlquelle das Schweißen langer Verbindungsnähte an
großvolumigen thermoplastischen Flugzeugfaserverbundstrukturen außerhalb
eines Autoklaven zu demonstrieren. Auf der linken Seite des MFFD erzeugte
der am Fraunhofer IWS entwickelte Verfahrensansatz die finale
Längsnahtverbindung zwischen der oberen und unteren Rumpfhälfte eines acht
mal vier Meter messenden Abschnitts des Flugzeugrumpfsegments aus »Carbon
Fiber Reinforced Thermo-Plastics« (CFRTP) – in Originalgröße. Das so
genannte CONTIjoin-Verfahren, eine Kombination aus CO2-Lasertechnologie
und hochdynamischer Strahlablenkung, regelte in Echtzeit die
Laserleistung, um die Temperatur in der Fügezone konstant zu halten und
ermöglichte zugleich die automatisierte Anpassung der Strahlfigur im
Schweißspalt.
Gewicht erheblich eingespart
Das neuartige Verfahren macht den Einsatz mechanischer Verbindungselemente
überflüssig und verzichtet zudem auf Materialdopplungen wie bei
klassischen genieteten Überlappverbindungen. Die Rumpftonne aus
geschweißtem, thermoplastischem Verbundwerkstoff wiegt somit deutlich
weniger als heute übliche Sektionen. Dies markiert einen wichtigen Schritt
im Flugzeugbau unter Einsatz neuartiger Hochleistungsmaterialien, da es
das Fügen von hochfesten und schweißbaren Faserverbund-Großbauteilen
ermöglicht. Die Herausforderung bestand darin, Materialien wie PAEK zu
verarbeiten, das eine für Kunststoffe vergleichsweise sehr hohe Wärmeform-
und Temperaturbeständigkeit aufweist. »Herkömmliche Fertigungsverfahren
für diese Materialien sind oft energieintensiv und aufwendig«, erläutert
Dr. Langer. »Wir haben deshalb gemeinsam mit dem Projektpartner AIRBUS
einen Verfahrensansatz entwickelt, in dem wir mittels einer gestuften
Schäftungstechnologie Bauteile außerhalb des Autoklaven miteinander fügen
können und zugleich hervorragende Festigkeitseigenschaften dieses
Verbundes erreichen.« Herkömmliche Verfahren seien in dieser Hinsicht
limitiert, insbesondere wenn es um hohe Produktionsraten und großvolumige
Bauteilstrukturen der Luftfahrt gehe. Dr. Langer betont: »Neue
Materialklassen erfordern innovative Fertigungsmethoden. Erklärtes Ziel
war es, am Multifunctional Fuselage Demonstrator das Rumpfgewicht um bis
zu eine Tonne zu reduzieren.« Über die Betriebsdauer des Flugzeugs hinweg
betrachtet ließen sich aufgrund des geringeren Gewichts und einer
verbesserten Integration der Systemarchitektur der Gesamtenergiebedarf,
der Treibstoffverbrauch sowie der Ausstoß von Luftschadstoffen wie
Kohlenstoffdioxid und Stickstoffoxiden signifikant senken. »Mit dem am
Fraunhofer IWS entwickelten CONTIjoin-Verfahren ist uns somit ein
wichtiger ökonomischer und ökologischer Schritt für die zukünftige
Flugzeugentwicklung sowie angrenzende Anwendungen gelungen«,
unterstreicht Dr. Maurice Langer.
Flugzeughalbschalen per Laser geschweißt
Der Schlüssel zum Erfolg lag für das Team darin, die Ober- und Unterschale
des Flugzeugkorpus durch kontinuierliche Ablage mehrerer übereinander
angeordneter Laminatstreifen, so genannter »Straps«, schrittweise
miteinander zu verbinden. Die mit jedem Arbeitsschritt zunehmend von 60
bis 360 Millimeter breiter werdenden Streifen wurden hierzu automatisiert
in eine auf den Oberflächen der Halbschalen eingebrachte Stufengeometrie
(Schäftung) abgelegt. Die so erzeugten Überlappverbindungen stellen den
zunächst unterbrochenen Kraftfluss des Faserverbundmaterials zwischen den
Halbschalen wieder her und bilden einen verlässlich lastenübertragenden
Verbund. »Eine weitere Besonderheit für diesen Prozess stellt die
Wellenlänge des eingesetzten CO2-Lasersystems dar«, fügt Dr. Langer hinzu.
Das CONTIjoin-Verfahren biete den einzigartigen Vorteil, dass die
Wellenlänge von 10,6 Mikrometern in dem relevanten Kunststoffanteil des
Faserverbundmaterials eine deutlich höhere Einkopplung (Absorption) der
Laserstrahlung aufweist, als die herkömmlich eingesetzten Faserlaser mit
1,06 Mikrometern. »Dadurch lässt sich der erforderliche Energieeintrag im
Bereich der zu fügenden Grenzflächen zwischen den einzelnen Bauteilen auf
ein Minimum reduzieren, wodurch die heute typischerweise nachfolgenden
Prozessschritte vollständig entfallen.«
Technologien des Fraunhofer IWS machen den Unterschied
Ein weiterer essentieller Technologiebaustein stellt das ebenfalls am
Dresdner Institut entwickelte »ESL2-100-Modul« dar. »Damit können wir
verschiedenste Sensorsignale verarbeiten und daraus abgeleitet
entsprechende Steuerungsalgorithmen implementieren«, erläutert Peter
Rauscher, Gruppenleiter High-Speed Laserbearbeitung am Fraunhofer IWS.
»Das bietet sowohl die Möglichkeit der Überwachung als auch der adaptiven
Steuerung des Schweißprozesses in Echtzeit. Mit herkömmlicher
Ansteuerelektronik wäre dies nicht möglich. Damit gelingt es uns zum
Beispiel neben der Regelung der Schweißtemperatur entlang des
Schweißspalts auch die Position, Breite und Krümmung der
Flugzeughalbschalen zu berücksichtigen.« Das Setup bestand zudem aus zwei
zusammenwirkenden Bewegungseinheiten, den so genannten Endeffektoren. Die
Aufgaben des Straphandling-Endeffektors bestand darin, das aufzubringende
Laminat während der kontinuierlichen Ablage präzise zu führen und es
konturgetreu breitenabhängig an die Flugzeughalbschalen anzudrücken. Der
zweite Endeffektor ermöglichte die Laserstrahlführung sowie pyrometrische
Erfassung der Temperatur in der Fügezone. Jeder Endeffektor bewegte sich
dafür synchron zum anderen auf einem eigenen linearen Achsensystem, um die
Übertragung möglicher Vibrationen oder Verformungen durch das Andrücken
der Laminatstreifen von der optischen Strahlführung des Lasersystems zu
entkoppeln. Während die konzeptionelle Ausarbeitung und Umsetzung des
gesamten Anlagen- sowie Steuerungssystems inklusive Mensch-Maschine-
Schnittstelle auf einer vollständigen Eigenentwicklung beruhten, kamen bei
den sonstigen eingesetzten Systemkomponenten wie beispielsweise
Laserstrahlquelle, Pyrometer oder X-Y-Scannern, kommerziell erhältliche
Industriekomponenten zum Einsatz.
Nächste Schritte: Technologiereife erhöhen und weitere Anwendungsgebiete
erschließen
Auf diese Weise gelang es, sowohl die Technologieentwicklung als auch die
Skalierung und Anwendung des Verfahrens anhand von Großstrukturen aus
thermoplastischem Faserverbundmaterial wie dem MFFD zu demonstrieren. Der
nächste Schritt besteht nun darin, das Technologie-Reife-Level (TRL) zu
erhöhen und somit einen weiteren Schritt in Richtung Qualifizierung der
Luftfahrttauglichkeit zu gehen. Dr. Langer erklärt: »Die entwickelte
CONTIjoin-Technologie ist nicht nur für den Flugzeugbau interessant,
sondern auch für andere Branchen. Die entwickelte Verfahrenslösung könnte
so neben der Luftfahrt auch für Anwendungen im Schiffs-, LKW- und
Aufliegerbau sowie im Schienenverkehr oder bei der Weiterentwicklung
moderner Windenergieanlagen interessant sein.« Eine Herausforderung
bestehe darin, die Akzeptanz und den Einsatz sowohl der thermoplastischen
Composite-Materialien als auch entsprechender Verfahren in den
unterschiedlichen Branchen zu etablieren.
Am »MFFD« beteiligte Projektpartner:
- Acroflight Ltd, Witham, UK
- Aernnova Aerospace S.A., Vitoria, Spanien
- Aeromechs srl, Aversa, Italien
- AIMEN – Asociación de Investigación Metalúrgica del Noroeste, O Porriño,
Spanien
- Airbus
- Aitiip Centro Tecnológico, Zaragoza, Spanien
- ALPEX Technologies GmbH, Mils, Österreich
- BCC – Brunel Composites Centre, University London, UK
- CETMA – Centro di Ricerche Europeo di Technologie, Design e Materiali,
Brindisi, Italien
- CT Engineering Group – Ct Ingenieros Aeronauticos de Automocion e
Industriales Slu, Madrid, Spanien
- CTI Systems, Lentzweiler, Luxembourg
- Diehl Aviation Laupheim GmbH, Laupheim, Deutschland
- Diehl Comfort Modules GmbH, Hamburg, Deutschland
- DLR – Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, ZLP Augsburg,
Deutschland
- DLR – Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, ZLP Stade, Deutschland
- Element Materials Technology, Sevilla, Spani
- FADA – Andalusian Foundation for Aerospace Development / CATEC – Center
for Advanced Aerospace Technologies, Sevilla, Spanien
- FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG, Fulda, Deutschland
- Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie
ICT, Pfinztal, Deutschland
- Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und
angewandte Materialforschung IFAM, Stade, Deutschland
- Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite-
und Verarbeitungstechnik IGCV, Augsburg, Deutschland
- Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS, Dresden, Deutschland
- GKN Aerospace, Fokker Aerostructures BV, Papendrecht, Niederlande
- GKN Aerospace, Fokker ELMO BV, Hoogerheide, Niederlande
- HSLU – Hochschule Luzern, Luzern, Schweiz
- KVE Composites Group, The Hague, Niederlande
- LSBU – London South Bank University, London, UK
- NLR – Royal Netherlands Aerospace Centre, Marknesse, Niederlande
- Ostseestaal GmbH & Co KG, Stralsund, Deutschland
- Premium AEROTEC, Augsburg, Deutschland
- Rescoll, Pessac Cedex, Frankreich
- SAAB AB, Stockholm, Schweden
- SAM XL, Delft, Niederlande
- Techni-Modul Engineering, Coudes, Frankreich
- Technische Universität München, Lehrstuhl für Carbon Composites,
München, Deutschland
- Technische Universiteit Delft, Delft, Niederlande
- TWI – The Welding Institute, Cambridge, UK
- UPAT – University of Patras, Patras, Griechenland
- XELIS GmbH, Herford, Deutschland
Infobox:
Clean-Sky-2- und Clean-Aviation-Projekt »MFFD«
Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts »Large Passenger Aircraft«
(»LPA«) hat die Fraunhofer-Gesellschaft in Stade mit internationalen
Projektpartnern jeweils eine maßstabsgetreue Ober- und Unterschale des
»Multi Functional Fuselage Demonstrator« (MFFD) durch automatisierte
Positionier- und Fügeprozesse miteinander verbunden. Das Verschweißen der
linksseiteigen Längsnäht der beiden acht Meter langen CFK-Halbschalen, die
einen Durchmesser von etwa vier Metern aufweisen, schloss die Herstellung
des größten thermoplastischen CFK-Flugzeugrumpfsegments der Welt
erfolgreich ab. Erstmals wurde in einem Forschungsprojekt ein Rumpfsegment
in Originalgröße aus thermoplastischen CFK-Werkstoffen hergestellt, um
Machbarkeit sowie ökologische und ökonomische Vor- und Nachteile
darstellen bewerten zu können.
Als Fügeverfahren zum Schließen des Thermoplast-Flugzeugrumpfs wurde
zusammen mit dem Projekt-Koordinator Airbus das CO2-Laserschweißen für die
linke sowie das Ultraschallschweißen für die rechte Längsnaht ausgewählt.
Im
Gegensatz zu aktuellen Nietverfahren bieten beide Verfahren den Vorteil
des staubfreien Fügens. Allerdings wurden sie bisher weder in der
Produktion noch in der Forschung bei derart großen CFK-Bauteilen und mit
den benötigten speziellen Qualitätsanforderungen angewendet. Der Bedarf
für ein staubfreies Fügen ergibt sich aus der erstmals durchgeführten
Vorintegration beider Schalen mit einer Vielzahl von ebenfalls
schweißtechnisch montierten Struktur- und Systemkomponenten, die ein
nachträgliches Entfernen von Staub und Spänen nicht zulässt.