Hybrid-Overmoldete Bauteile revolutionieren Composite-Märkte

Oft ist in der Luftfahrt ein OEM bereit, mehr für ein Composite-Bauteil zu zahlen, da sich die Investition durch Kraftstoffeinsparungen aufgrund des geringen Gewichts, längere Lebensdauer durch weniger Verschleiß oder andere Reduzierungen operativer und Wartungskosten amortisiert. Diese „Produktlebenszyklus“-Sicht hat viele Märkte und Anwendungen für Composites geöffnet. Ungewöhnlicher ist ein Composite-Bauteil, dessen Anschaffungskosten selbst niedriger sind als die der Metallversion. Aber das ändert sich. Einige neue automatisierte Composite-Fertigungsprozesse beginnen, die Waagschale zugunsten von Composites zu kippen, darunter ein Hybrid-Overmolding-Verfahren, entwickelt von TxV Aero Composites (Bristol, R.I., USA).

Ein Joint Venture von Tri-Mack Plastics Manufacturing (Bristol, R.I., USA) und Victrex (Thornton Cleveleys, UK), hat TxV seine Hybrid-Overmolding-Technik bis zum kommerziellen Produktionsstatus vorangetrieben. Das Unternehmen hat sich mit SFS intec Aircraft Components (Althengstett, Deutschland) zusammengetan, um einen Flugzeug-Gepäckfachhalter, zuvor aus luftfahrttauglichem Aluminium gefertigt, neu zu designen und kommerziell zu produzieren. Eine Erfolgsgeschichte für sich, demonstriert der Halter auch das Potenzial von Hybrid-Overmolding und VICTREX AE 250 unidirektionalem Kohlefaser/Polyaryletherketon (PAEK)-Band für wertvolle Gewichts- und Kosteneinsparungen in zahlreichen Luftfahrtanwendungen – Vorteile, die durch Ersetzen eines subtraktiven Metallbearbeitungsprozesses durch einen Composite-Prozess erzielt werden, bei dem Material addiert, nicht subtrahiert wird.

Von Subtraktion zu Addition

Dreher und Werkstätten, die Metallkomponenten auf CNC-Maschinen fertigen, haben sich selbst „Spanmacher“ genannt, weil ihre Prozesse unnötiges Material von Metallrohlingen abtragen, um Komponenten herzustellen, wobei Metallspäne entstehen. Diese Späne sind ein kostspieliger Aspekt der Metallbearbeitung, ob sie entsorgt, an einen Recycler geschickt oder im Haus wiederaufbereitet werden. Im Fall von SFS intecs Gepäckfachhalter werden 60 bis 70 % des Aluminiums während der mehreren Frässchritte zu Schrott.

Diese hohe Ausschussrate macht die Rohmaterialkosten für eine Net-Shape- oder Near-Net-Shape-Composite-Version des Halters potenziell niedriger als die Metallmaterialkosten. „Wir können gegen günstigeres (pro Pfund) Aluminium konkurrieren wegen der Späne; wenn das Buy-to-Fly-Verhältnis 8:1 ist, wird der größte Teil des gekauften Aluminiums zu Schrott“, merkt Jonathan Sourkes, TxV Senior Accounts Manager, an. „Ein weiterer Faktor ist die Zeit, die jede Komponente beim Fräsen verbringt. Wir können [Composite]-Teile in Minuten, nicht Stunden fertigen.“

Jenseits der Rohmaterialkosten waren Composite-Versionen von Komponenten wie dem Halter – mit komplexer Geometrie und hoher Lasttragfähigkeit – mit historisch verfügbaren Fertigungsoptionen nicht wirtschaftlich machbar. Einerseits würde, wenn die Komponenten mit kostengünstiger, gehackter Faserverstärkung in einem Hochgeschwindigkeits-Niedrigkontakt-Prozess wie Spritzgießen gefertigt würden, die Komponente nicht ausreichende Lasttragfähigkeit erreichen. Andererseits würde, wenn sie mit höherer Lasttragfähigkeit, endloser Faserverstärkung via Niedriggeschwindigkeits-Hochkontakt-Prozess, typischerweise mit manueller Lagenarbeit, gefertigt würden, die Produktion zu langsam und/oder zu teuer sein.

Wegen dieser Hürden für neue Composite-Anwendungen dieses Typs hat die Composite-Industrie insgesamt erhebliche Ressourcen in die Entwicklung automatisierter Prozesse investiert, die solche Komponenten bei geeigneten hohen Produktionsraten und ausreichender Lasttragfähigkeit für Luftfahrt-Kundenanforderungen und -Spezifikationen produzieren können. Mit Blick auf die kommerzielle Produktion solcher Composite-Komponenten wurde TxV 2017 speziell gegründet, um die kommerzielle Adoption innovativer Fertigungsprozesse für Polyketon-basierte Composite-Anwendungen in der Luftfahrtindustrie zu beschleunigen.

B-Brackets bauen

Ein Schlüsselaspekt des Hybrid-Overmolding-Prozesses ist die Verwendung distinkter Polymere derselben Klasse. PAEK dient als Matrixharz für die endlosfaserverstärkten Anteile des Halters, während Polyetheretherketon (PEEK) in den overmoldeten Bereichen verwendet wird. VICTREX PAEK und PEEK bieten überlegene Ermüdungs-, Chemikalien- und Korrosionsbeständigkeit; exzellente Rauch-, Flammen- und Toxizitätsbeständigkeit; schnelle Formbarkeit; und Schweißbarkeit. VICTREX AE 250, ein niedriger schmelzender PAEK (LM PAEK), bietet eine Schmelztemperatur 40 °C niedriger als PEEK. „Wenn geschmolzenes PEEK über die Oberfläche des LM PAEK-Composites fließt, ermöglicht die niedrigere Schmelztemperatur eine starke Verbindung“, erklärt Sourkes.

Spezifische Rohmaterialien für den B-Halter sind VICTREX AE 250 unidirektionales kohlefaserverstärktes PAEK-Band (58 % Kohlefaser) in 2-Zoll-Breiten; und kurzfasergefülltes VICTREX PEEK 150CA30 (30 % Kohlefaser). Diese Materialien speisen die Hybrid-Overmolding-Produktionszellen, die die Halter durch folgenden Mehrschrittprozess fertigen.

Schritt 1: Automatisiertes Bandlegen

Ein Dieffenbacher Fiberforge 2000 automatisiertes Bandlegesystem produziert maßgeschneiderte Laminatrohlinge. Die Kohlefaser/PAEK-Bänder werden in einem maßgeschneiderten Rohling mittels Dieffenbacher (Eppingen, Deutschland) Fiberforge 2000 Bandlegesystems abgelegt. „Diese Maschine ist derzeit eines der schnellsten Bandlegesysteme der Welt“, bestätigt Sourkes. Sie ist mit Robotern zum Be- und Nachladen von Bandspulen ausgestattet, damit sie unterbrechungsfrei laufen kann, was manuelle Handhabung minimiert. Der Lagenaufbau ist so gestaltet, dass Lücken zwischen Bändern minimiert werden. Jede Lage des B-Halter-Rohlings wird inspiziert, bevor die nächste Lage abgelegt wird. Der Prozess erfolgt in umweltkontrolliertem Bereich zur Minimierung von Fremdobjekten und -schmutz (FOD).

Die maßgeschneiderten Rohlinge werden dann in einer automatisierten, maßgeschneiderten Konsolidierungszelle konsolidiert, die minimales manuelles Handling zum Be- und Entladen der Laminate erfordert. In der Zelle pressen beheizte, passende Platten einen Panel, um Lunker zu eliminieren. Passende kalte Platten kühlen den Panel dann. Die zwei Platensätze, die auf Temperatur gehalten werden, sind weit effizienter als eine statische Presse mit einem Platensatz. „Das Ergebnis ist eine drastisch reduzierte Zykluszeit in Minuten statt Stunden“, sagt Sourkes.

Schritte 3-6: Formen, Schneiden, Overmolden, Finish

Die konsolidierten Laminat-Preforms werden in einer proprietären Arbeitszelle weiterverarbeitet, um die Primärform des Halters zu erzeugen (Schritt 3). Die finalen Kohlefaser/PAEK-Einsätze werden dann per Flow International (Kent, Wash., USA) Wasserstrahlschneider aus den geformten Rohlingen geschnitten (Schritt 4). Beim Overmolding (Schritt 5) werden die Einsätze in eine Spritzgusskavität gelegt, die mit geschmolzenem PEEK gefüllt wird, welches die oberste Schicht der VICTREX AE 250-Laminate aufschmilzt und ein stark schmelzverbundenes Bauteil erzeugt. Falls erforderlich, wird ein Bauteil per Bearbeitung auf Endkontur gebracht (Schritt 6). „Obwohl unser Ziel Near-Net-Shape-Teile sind“, gibt Sourkes zu, „ist oft minimaler Bearbeitungsaufwand nachträglich nötig, um Prozessgeometrie zu bereinigen.“ Bearbeitung kann per Wasserstrahl oder CNC erfolgen.

Bahnbrechende Ergebnisse

Bei der Fertigung des SFS intec-Halters erreicht der TxV Hybrid-Overmolding-Prozess Zykluszeiten von drei Minuten und ein Buy-to-Fly-Verhältnis von 1,06:1. „Es ist die effiziente Materialnutzung und der schnelle Fertigungsprozess, der es uns ermöglicht, wertschöpfende Thermoplast-Composite-Teile zu produzieren, und das macht Systemkostenreduktionen gegenüber demincumbent Metall-Design möglich“, betont Sourkes. „Effektiv ersetzen wir ein günstigeres Rohmaterial mit hohem Buy-to-Fly-Verhältnis und signifikanter Bearbeitungszeit durch eine hochentwickelte Materiallösung.“ Das Ergebnis sind Gewichtsersparnisse von 30-40 % und Kosteneinsparungen von 20-30 % bei gleichem Ersatzteil, also einem Ersatzteil, das denselben geometrischen und operativen Spezifikationen folgt wie die bestehende Komponente. „Gewichtsersparnisse können bis zu 60 % betragen, wenn wir die Gelegenheit haben, ein Teilsystem komplett neu zu designen“, merkt er an.

Der Kohlefaser/PAEK/PEEK-Halter hat auch die Teileanzahl konsolidiert: TxV und SFS einigten sich darauf, eine Spreiznase an der Unterseite des Teils im gleichen Vorgang zu overmolden, der zur Funktionalisierung und Hinzufügung weiterer Features genutzt wird. Zuvor wurde die Spreiznase aus PEEK gefertigt und mit zwei Nieten gehalten. Die Konsolidierung resultiert also sowohl in reduzierter Teileanzahl als auch in Eliminierung eines Montageschritts.

Die Expertise der beiden Unternehmen, die TxV gründeten, hat zweifellos den Erfolg des Hybrid-Overmolding ermöglicht. Sourkes erklärt, dass Victrex nach Entwicklung des PAEK-Materials und der Verarbeitungstechnologie zunächst Chancen mit bestehenden Geschäftspartnern prüfte. „Aber Unternehmen mit Spritzguss-Expertise hatten nicht die Expertise für endlosfaserverstärkte Composites, und umgekehrt.“ Victrex und Tri-Mack arbeiteten mehrere Jahre zusammen, bevor sie 2017 TxV gründeten und das zweckgebaute Polyketon-Composite-Center-of-Excellence bauten, das hochautomatisiert und für hohe Serienfertigung ausgelegt ist.

Auf die Frage, den TxV-Prozess und -Ergebnisse mit einem konventionellen Fertigungsansatz zu vergleichen, merkt Sourkes an, dass der B-Halter nicht für Standard-Composite-Fertigungsansätze geeignet ist. „Das wäre ohne Bearbeitung des Halters aus einem Composite-Block sehr herausfordernd – was kostenprohibitiv wäre“, sagt er.

Erst qualifizieren, dann fliegen

Unter Nutzung von SFS intecs Qualifikationsfähigkeit gingen die beiden Unternehmen mit Zertifizierung per „Point Design“ voran, was bedeutet, dass nur diese spezielle Teilegeometrie Flugzulassung erhält. Teile wurden produziert und den Tests im Qualifikationsdokument unterzogen. „Da der Teil ein Gepäckfachhalter ist, sind die operativen Lasten ziemlich leicht zu erreichen“, merkt Sourkes an. „Die Leistungsanforderungen gehen jedoch über diese typischen Lasten hinaus und müssen extreme Start- und Landemanöver abdecken.“ Zum Redaktionsschluss wurde das Qualifikationspaket eingereicht und wartet auf finale Unterzeichnung durch den Spezifikationsverwalter. TxV und SFS intec erwarten, dass das Teil Anfang 2020 fliegt.

Sobald der B-Halter qualifiziert ist, wird TxV auf Produktionsvolumen skalieren. Während das Unternehmen seine bestehende Hybrid-Overmolding-Linie für diese Halter nutzt, betont Sourkes, dass das Unternehmen einen doppelten Auftrag hat – sowohl Teile mit der Technologie zu fertigen als auch Industriehersteller zu unterstützen, die die Technologie selbst in ihren Anlagen adoptieren wollen. Composite-Halter wie das SFS intec-Produkt haben Potenzial, einen ziemlich großen Markt für solche Komponenten zu übernehmen. Verkehrsflugzeuge nutzen tausende Halter und Systembefestigungen, die signifikant zu Gesamtkosten und -gewicht des Flugzeugs beitragen. „Wir sind überzeugt, dass Thermoplast-Composite-Komponenten eine zunehmend größere Rolle in der Flugzeugfertigung spielen werden“, prognostiziert Costabel.