Premium AEROTEC demonstriert hybrides CFK-AM-Metalldesign für zukünftige Leichtbauflugzeugstrukturen

Heutige Flugzeugstrukturen bestehen aus vielen unterschiedlichen Materialien. So besteht beispielsweise die Rumpf- und Flügelstruktur des Airbus A350XWB hauptsächlich aus Verbundwerkstoffen mit einigen Metallteilen. Hier werden Teile in klassischer Hybridbauweise mit Schrauben und Nieten verbunden. Diese Konstruktion führt zu einem hohen Montageaufwand, -aufwand und -kosten. Darüber hinaus führt die hohe Anzahl von Befestigungselementen in diesem klassischen Hybriddesign zu unnötigem Gewicht sowie zu Spannungskonzentrationen an den Lasteinleitungspunkten.

Im Projekt TOAST hat Premium AEROTEC (Augsburg, Deutschland), ein Tier-1-Lieferant von Rumpfstrukturen für den A350, völlig neue Verfahren zum Fügen von Verbundwerkstoffen und Metallen vorgestellt. Auf diese Weise können die Nachteile der klassischen Hybridbauweise mit Bolzen und Nieten beseitigt werden. Premium AEROTEC entwickelte und fertigte in weniger als fünf Monaten einen Demonstrator für eine Flugzeug-Airbrake-ähnliche Struktur in moderner Hybridbauweise. Es bestand aus einem Titan-Lasteinleitungsfitting, das mit additiver Fertigung (AM) hergestellt wurde, und einer thermoplastischen Verbundplatte aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK), die mittels thermoplastischer Verbundumspritzung verbunden wurden.

Die Innovation dieses Demonstrators ist die Verbindung der unterschiedlichen Materialien ohne Schrauben oder Befestigungselemente. Möglich wurde dies nur durch den Einsatz von additiver Fertigung und thermoplastischem Umspritzen. Die Titanarmatur wurde mit Stiften an der Unterseite und Rippen mit Gyroidstrukturen entworfen, die beide mit AM hergestellt werden. Das AM-Titanteil und eine thermoplastische Verbundplatte wurden dann in eine Tiefziehform gelegt. Die beiden Komponenten wurden in einem Thermoformprozess mit einem anschließenden Spritzgussschritt zusammengepresst. Dabei wurden die V-förmigen thermoplastischen Verbundrippen umspritzt und in die schwammartigen Kreiselrippen des Titanfittings gepresst.

Die Verbindungen in diesem Hybriddemonstrator wurden entweder stoffschlüssig (CFK – CFK) oder formschlüssig (Titan AM – CFK) realisiert. Parallel dazu wurden Strukturversuche zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Fugen durchgeführt. Diese Tests zeigten, dass die Kraftübertragungsfähigkeiten denen von Nieten und Schrauben ähnlich waren.

Zu den Vorteilen dieser modernen Hybridbauweise gegenüber der klassischen Bauweise mit mechanischen Verbindungselementen zählen eine schnelle Herstellung und Montage ohne Verbindungselemente, weniger Teilebedarf und kürzere und automatisierte Prozessschritte bei der Montage. Zudem führt die Effizienz der ausgeschöpften Gestaltungsfreiheiten durch den Einsatz von AM und Spritzguss zu Gewichtseinsparungen. Diese Technologie kann überall dort eingesetzt werden, wo Lasten zwischen Punkten und Flächen übertragen werden müssen.

Premium AEROTEC ist der erste Komponentenhersteller weltweit, der 3D-gedruckte Bauteile aus Titanlegierungen für die Serienfertigung von Flugzeugen anbietet. Premium AEROTEC ist ein Global Player in der Luftfahrtindustrie und erzielte 2018 einen Umsatz von 2 Milliarden Euro. Kerngeschäft ist der Entwurf und Bau von Flugzeugstrukturen aus Metall- und Kohlefaserverbundwerkstoffen. Das Unternehmen hat Standorte in Augsburg, Bremen, Hamburg, Nordenham und Varel in Deutschland sowie Braşov in Rumänien. Premium AEROTEC beschäftigt weltweit rund 10.000 Mitarbeiter.