Entwicklung multifunktionaler Flügel- und Rumpfstrukturen aus Verbundwerkstoff

Flexible gedruckte Schaltungen in unbegrenzten Längen

Anfang dieses Jahres hat Trackwise (Gloucestershire, Großbritannien) eine 26 Meter lange flexible Mehrschicht-Leiterplatte (FPC) ausgeliefert – vermutlich die längste, die jemals produziert wurde – zur Verteilung von Strom und Steuersignalen über die Tragflächen eines solarbetriebenen, unbemannten Luftfahrzeugs (UAV). Tatsächlich lieferte Trackwise mehr als 50 FPCs für dieses Fahrzeug, wodurch das Gewicht gegenüber der Verwendung herkömmlicher Kabelbäume für die Stromversorgung und Steuerung von Flugzeugen um 60 % reduziert wurde.

Diese Gewichtseinsparungen ermöglichen dem in den USA hergestellten UAV eine höhere Nutzlast und/oder eine verbesserte Geschwindigkeit und Reichweite. Trackwise fertigt die FPCs mit der Improved Harness Technology (IHT), einer patentierten Reel-to-Reel-Fertigungstechnik. IHT überwindet konventionelle Herstellungsbeschränkungen, die die meisten FPCs unter zwei Metern Länge gehalten haben, und ermöglicht es Trackwise, FPCs in unbegrenzter Länge zu produzieren.

Eine 5 Meter lange, 6-lagige Flex-Leiterplatte, hergestellt von Trackwise.

Die von Trackwise gelieferten FPCs für das UAV mit 26 Metern Spannweite basierten auf einem Polyimid-Substrat. Ihre flächige Struktur leitet die Wärme besser ab als herkömmliche Verdrahtungen und ermöglicht so eine höhere Strombelastbarkeit bei einem gegebenen Gewicht des Kupferleiters. Weitere Vorteile sind:

• Die gedruckte Fertigung gewährleistet die Konsistenz der Schaltung
• Es werden weniger Verbindungspunkte benötigt, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen
• Der FPC ist einfacher zu installieren als Kabelbäume, wodurch die Montagezeit und die Kosten eines Fahrzeugs reduziert werden.

Laut Trackwise-CEO Philip Johnston entstehen für diese langen, leichten, flexiblen Mehrschicht-Leiterplatten (Flex-PCBs) viele neue Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. Beide Branchen sehen einen Schub in Richtung Elektrifizierung, gleichzeitig mit einem Bedarf an mehr Sensoren und Steuerung.

FPCs in Verbundwerkstoffen?

Neugierig geworden, ob Trackwise diese FPC in Verbundwerkstoffe einbettet, begann ich ein Gespräch mit Neil Bartlett, Trackwise Director of Sales and Marketing. „Bei der UAV-Anwendung, die in unserer Pressemitteilung vom März hervorgehoben wurde, wurden die flexiblen [flexiblen PCBs] nicht in einen Verbundwerkstoff eingebettet“, räumt er ein. „Durch ihre Planarität sind sie jedoch bestens geeignet, um in Verbundwerkstoffe eingebettet zu werden und multifunktionale Strukturen zu ermöglichen. Wir befinden uns in vorläufigen Gesprächen über die Integration von Flex – sowohl Leistungs- als auch Signalvarianten – in einem breiten Spektrum möglicher Anwendungen, einschließlich Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Bauwesen. Trackwise ist außerdem Mitglied von Advanced Concepts for Aero‑Structures with Integrated Antennas and Sensors (ACASIAS) – einem Konsortium aus 11 Partnern, das innovative Technologien zur Integration von Antennen in Verbundwerkstoffe und Flugzeugstrukturen entwickelt.“ (http://www.acasias-project.eu/)

Ein intelligentes Winglet mit integrierter VHF-Antenne (Very High Frequency).

Versteiftes Orthogrid-Rumpfpaneel zur Integration eines Ku-Band SATCOM Antennenarrays.

Active Structural Acoustic Control System zur Reduzierung des CROR-Fahrgastraumgeräusches bei minimaler Gewichtsbelastung. QUELLE | http://www.acasias-project.eu/files/Acasias_poster_v2.pdf

Bartlett sagt, dass flexible Leiterplatten, die mit IHT und Verbundwerkstoffen hergestellt wurden, sehr synergetisch in ihrem Marktangebot sind und die Vorteile ihrer Kombination/Einbettung überzeugend sind, darunter:

• Gewichtseinsparung (Entfall von Befestigungselementen)
• Verbesserte Robustheit/Schutz durch Verbundwerkstoffe =verbesserte Zuverlässigkeit/reduzierte Wartung
• Reduzierter Rauminhalt =verbesserte Nutzlastfähigkeit/strukturelle Effizienz
• Verbesserte Installation =weniger Arbeitskontaktpunkte (verbesserte Zuverlässigkeit), weniger Zeit und Kosten.

Diese in einen Glasfaserverbundwerkstoff eingebettete Demonstrator-Flexantenne wurde von Trackwise in Zusammenarbeit mit Rockwood Composites hergestellt und auf der JEC World 2019 ausgestellt. QUELLE | Streckenweise

Vorwärts gehen

Der Umsatz von IHT ist um 217 % gestiegen, wobei die Kunden- und Entwicklungsmöglichkeiten von 7 zu Beginn des Jahres 2018 auf 45 bis März 2019 steigen. Trackwise hat außerdem zwei neue Prozesslinien installiert.

Mehrere ACASIAS-Projekte werden auf der European Conference on Multifunctional Structures 2019 (EMuS, 11.-12. Juni, Barcelona, ​​Spanien) vorgestellt, die von ACASIAS-Koordinator Dr. Harmen Schippers, Netherlands Aerospace Center (NLR, Marknesse) gemeinsam geleitet wird. Zu den Highlights gehören:

• Airbus Defence and Space hat die Einbettung einer elektronisch steuerbaren SATCOM-Antenne, die im Ka-Band arbeitet, in die Flügel-Rumpf-Verkleidung eines Passagierflugzeugs untersucht. Das Projekt wird teilweise im Rahmen von Clean Sky 2 gefördert und umfasst die Partner GILAT, RAYSAT und FBM Composite Materials Ltd.
  
• NLR untersucht eine Orthogrid-Struktur zur Integration quadratischer Antennenelemente in einen Verbundrumpf unter Verwendung einer strahlendurchlässigen Glasfaserhaut und Kohlefaserverbundrippen.
  
• Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das chinesische AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials (BIAM) haben den Einsatz recycelter Kohlefasern zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit und multifunktionalen Aspekte von Bioverbundwerkstoffen untersucht und dabei elektrisch leitfähige Verbundwerkstoffe auf elektromagnetische Störungen untersucht (EMI) Abschirmung und Blitzschlagschutz (LSP) über das ECO-COMPASS-Projekt.