Thermoplaste im Flugzeugbau – weniger Gewicht, mehr Zukunft

Jedes Gramm zählt: In der Luftfahrt kann eine Gewichtsreduktion von nur einem Kilogramm jährlich bis zu 25.000 Liter Treibstoff einsparen. Kunststoffe können der Schlüssel hierzu sein. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt nutzt zum Beispiel carbonfaserverstärkte Thermoplaste, um Flugzeugrümpfe ressourceneffizienter zu gestalten. Im Rahmen des Large Passenger Aircraft-Projekts wurden dafür sogar grundlegend neue Technologien entwickelt.

Im Interview mit dem K-MAG spricht Dr.-Ing. Frederic Fischer über die aktuellen Herausforderungen für die Luftfahrt, darüber, inwiefern der Einsatz von Kunststoff sowie die neu entwickelten Fertigungstechnologien klimafreundlicher und kostengünstiger sind.

Herr Dr. Fischer, vor welchen Herausforderungen steht die Luftfahrt aktuell? Inwiefern adressieren Sie diese im Large Passenger Aircraft-Projekt?

Dr.-Ing. Frederic Fischer: Die Luftfahrt steht vor der dringenden Aufgabe, klimaverträglicher und nachhaltiger zu werden. Jahrzehntelang setzten wir auf Aluminium als Hauptmaterial. Aber in der heutigen Zeit mit verstärktem Fokus auf Umweltschutz und Ressourceneffizienz reicht das nicht mehr aus. Das Large Passenger Aircraft-Projekt strebt danach, das Rumpfgewicht um 10% zu verringern und die laufenden Kosten um 20% zu reduzieren, was die Luftfahrt revolutionieren wird.

Im Projekt haben Sie ein Rumpf-Bauteil entwickelt. Woraus besteht es? Was sind die Besonderheiten?

Fischer: Unser Multi-Funktions-Fuselage-Demonstrators (MFFD) besteht aus einem besonderen Kunststoff: dem carbonfaserverstärkten Thermoplast (LM_PAEK). Im Vergleich zu Aluminium ist dieses Material leichter und besitzt zudem die Möglichkeit der Umformbarkeit bei erneuter Hitzezufuhr. Dies erleichtert Reparaturen und Recycling.

Wie wirkt sich der Einsatz von CFK gegenüber Aluminium auf Nachhaltigkeit aus?

Fischer: CFK bietet gegenüber Aluminium zahlreiche Vorteile. Es ist nicht nur leichter und dadurch kraftstoffeffizienter, sondern auch wiederverwertbar. Dies führt zu weniger Abfall und einem verringerten Energieverbrauch über den Lebenszyklus des Flugzeugs hinweg.

Sie haben einige Technologien und Werkzeuge für die Fertigung des MFFDs neu entwickelt. Inwiefern war das notwendig und welche waren das im Einzelnen?

Fischer: Unsere Hauptmotivation war es, die Luftfahrt nachhaltiger zu gestalten. Um dies zu erreichen, mussten wir den Übergang von Aluminiumstrukturen zu carbonfaserverstärkten Thermoplasten in der Flugzeugproduktion vollziehen. Diese Umstellung erforderte auch die Entwicklung neuer Fertigungstechnologien. Die drei Kerninnovationen sind:

• Die laserbasierte in-situ Faserablage: Hier nutzen wir einen Roboter, der Materialstreifen mittels Laser präzise erwärmt und in Schichten ablegt. Diese Technik minimiert den Materialverschnitt.
• Das kontinuierliche Ultraschall-Schweißen: Statt zu vernieten, verwenden wir dieses Verfahren, um die Längsverstärkungen, die sogenannten Stringer, mit der Außenhaut zu verbinden.
• Das elektrische Widerstandsschweißen: Dieses Verfahren nutzen wir um die Querversteifungen, die sogenannten Spanten, mit der Haut zu verschweißen. Dazu wird ein Schweißelement in der Fügezone aus Carbonfaser mit Strom beaufschlagt, wodurch sich dieses erwärmt und die Bauteile aufschmelzen lässt.

Durch den Einsatz dieser Technologien können wir die Vorteile der neuen Materialien voll ausschöpfen und den Produktionsaufwand deutlich verringern.

Wie sahen die einzelnen Produktionsschritte für den MFFD aus?

Fischer: Die Fertigung verlief in mehreren spezifischen Schritten:

1. Faserablage: Ein an der Decke montierter Roboter nutzte einen Laser, um Materialstreifen zu erhitzen und sie schichtweise abzulegen. Dies formte ein Laminat aus faserverstärkten Kunststoffen.
2. Verstärkung der Außenhaut: Die fertige Außenhaut wurde im nächsten Schritt mit den kontinuierlichen Stringern verstärkt. Sie wurden mittels des neu entwickelten Ultraschallschweißen angebracht. Ein Roboter mit einer präzisen Pfadkorrektur wurde hierfür eingesetzt, um die Stringer effektiv zu verbinden.
3. Anbringung der Querverstärkungen: Im Anschluss daran wurden die Querverstärkungen, unsere Spanten, durch elektrisches Widerstandsschweißen hinzugefügt.
4. Endverbindung: Schließlich wurden die Längs- und Querverstärkungen miteinander verschweißt. Aufgrund des beengten Arbeitsraums kombinierten wir einen Standardroboter mit einem kleineren Leichtbauroboter, um eine präzise Verschweißung der Verbindungselemente zu gewährleisten.

Welche Vorteile bringen diese neuen Fertigungsverfahren gegenüber herkömmlichen Methoden in Bezug auf Produktionskosten und Nachhaltigkeit?

Fischer: Unsere neuen Fertigungsverfahren reduzieren die Produktionszeit um bis zu 40%, was bedeutende Kosteneinsparungen mit sich bringt. Da wir weniger Materialverschnitt haben und auf den Autoklav-Prozess verzichten können, sind wir auch ressourceneffizienter. Insgesamt erhöhen diese Verfahren sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Nachhaltigkeit der Produktion.

Was passiert nun mit der MFFD-Schale?

Fischer: Nach der erfolgreichen Fertigstellung wurde die MFFD-Schale zu Premium Aerotec geliefert, wo die Endbearbeitung stattfand. Sie wird nun zum Fraunhofer-Institut in Stade transportiert und dort weiter bearbeitet. Schließlich wird Airbus die Technologien in Hamburg validieren. Es sind spannende Entwicklungen, und wir freuen uns darauf, die Fortschritte in diesem Bereich voranzutreiben.