Fraunhofer IPT innoviert Thermoplastische Verbundwerkstoffe für Wasserstoffspeicher, Flugzeugtriebwerksschaufeln und mehr

Die Entwicklung des Fraunhofer IPT umfasst (im Uhrzeigersinn von oben links) thermoplastische Verbundwerkstoff-Triebwerksschaufeln, hybride Verbundwerkstoff-Metall-Strukturen mittels Laserstrukturierung und AFP, Strukturelle Gesundheitsüberwachung (SHM) von Verbundwerkstoffen und thermoplastische Verbundwerkstoff-Bandverarbeitungssysteme wie die PrePro 2D und PrePro3D Systeme, die von Conbility kommerzialisiert wurden. Bildnachweis: Fraunhofer IPT

Im Dezember 2020 veröffentlichte ich einen Artikel darüber, wie das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT, Aachen, Deutschland) vollautomatisiertes Bandlegen und -formen für thermoplastische carbonfaserverstärkte Polymer (CFK) Triebwerksschaufeln entwickelt. Die In-situ-Konsolidierung (ISC) von thermoplastischem Verbundwerkstoffband stellt sich als ein Thema heraus, das das Fraunhofer IPT gut kennt, da es diese Technologie von Anfang an zusammen mit ISC-Pionieren Accudyne Systems Inc. (Newark, Del., USA) und Automated Dynamics, jetzt Trelleborg Sealing Solutions Albany (TSS Albany, Niksayuna, N.Y., USA), vorangetrieben hat. [Mehr zu diesen ISC-Pionieren siehe „Konsolidierung thermoplastischer Aerostrukturen an Ort und Stelle, Teil 1 und Teil 2“.] „Das IPT ist seit 1988 im laserunterstützten Bandwickeln (LATW) aktiv, und es bleibt eines unserer Hauptthemen“, erklärt Dr. Henning Janssen, Chefingenieur und Abteilungsleiter für faserverstärkte Kunststoffe und Lasersystemtechnik am Fraunhofer IPT. Er merkt an, dass sich die LATW-Technologie stark gewandelt hat, besonders in den letzten 10-15 Jahren. Dieser Blog gibt weitere Details zur Entwicklung von LATW und thermoplastischen Verbundwerkstoffen im Allgemeinen am Fraunhofer IPT sowie dazu, wohin das Institut die Technologie in Zukunft sieht.

Entwicklung im Laserbandwickeln

„Als wir vor 30 Jahren begannen, war die Lasertechnologie nicht bereit für die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung thermoplastischer Verbundwerkstoffe“, sagt Janssen. „Man kann sich vorstellen, dass man besonders auf der Steuerungsseite nur eine analoge Kamera hatte. Jetzt haben wir viel bessere Technologie. Als wir 2008 einen kompakten Laserwickelkopf entwickelten, was zur Gründung von AFPT Germany (Dörth, Deutschland) führte, mussten wir eine 16-Pixel-x-16-Pixel-Kamera verwenden, die nur acht Bilder pro Sekunde bot. Jetzt haben wir problemlos 640 x 480 Pixel und Verarbeitung von 50 Bildern oder mehr pro Sekunde.“ Er erklärt, dass dies wichtig ist, „weil man bei dem von uns entwickelten Laserbandwickeln einen der Hauptvorteile hat, dass man in den Prozess hineinschauen und auch die Verarbeitungsleistung innerhalb von Millisekunden ändern kann. Das gibt einen guten Vorteil, zum Beispiel, wenn man um komplexe Geometrien herumwickelt, wie den Dom von Druckbehältern, wo die Wickelgeschwindigkeit abnimmt und man die Laserheizleistung reduzieren muss. Man muss dann nachjustieren, wenn die Wickelgeschwindigkeit entlang des Behälterzylinders wieder zunimmt. Das war vor 15 Jahren nicht möglich, weil Laser, Steuerungssystem und Wärmebildtechnologien nicht bereit waren oder zu teuer und auch nicht so leistungsfähig wie heute.

Janssen fährt fort: „Also hat sich auf der digitalen Seite viel entwickelt. Jetzt liefern wir beispielsweise etwas wie einen digitalen Zwilling, wo man alle Sensordaten auf den Druckbehälter abbilden kann, um das gefertigte Teil mit dem digitalen Design zu vergleichen, um Teilequalität zu bewerten und Leistung vorherzusagen. Der Einsatz virtueller Prozesssensoren und -modelle ermöglicht es uns auch, die Laminatfestigkeit vorherzusagen, wie sie durch die Verarbeitungshistorie definiert ist.“ Das ist wichtig, weil LATW mit thermoplastischem Band schnelles Erhitzen und Abkühlen nutzt, wo Material- und Teileigenschaften während des Wickelprozesses selbst bestimmt werden, da ein thermischer Nachbearbeitungsschritt fehlt, merkt er an. Es ist daher kritisch, die Fähigkeit für schnelle Prozesskontrolle zu haben.

Es gab auch Entwicklungen bei Materialien, sagt Janssen. „Vor zwanzig Jahren gab es eine begrenzte Menge an thermoplastischen Verbundwerkstoffbandmaterialien, wie APC-2 von Cytec, das jetzt Solvay (Alpharetta, Ga., USA) ist“, erklärt er. „Aber jetzt sind viele mehr Materialien für industrielle Anwendungen qualifiziert, und man hat auch viele Commodity-Materialien wie Polypropylen (PP), verstärkt mit Carbonfaser und auch mit Glasfaser, sowie Polyamid 6 (PA6), zum Beispiel, das in der Automobilindustrie häufig verwendet wird. Es gibt jetzt auch Anwendungen für LATW, die mehr in Richtung Massenproduktion gehen. Zum Beispiel gibt es einen Vorstoß hin zu Rückhalteringen und anderen Teilen in Elektromotoren. Das sind einfache thermoplastische Verbundwerkstoffringe oder -rohre, aber in Stückzahlen von 10.000 bis 50.000 pro Jahr.“

ambliFIBRE, Rohre für Öl und Gas

Ein Teil der digitalen Steuerung im LATW, die Janssen oben beschreibt, wurde im ambliFIBRE-Projekt (2015-2018) entwickelt. „Es gab viele Partner in diesem Projekt“, sagt er, „aber einer war Baker Hughes (Newcastle, England und Houston, Texas, USA) und wir nutzten unsere LATW-Ausrüstung für ihre nichtmetallischen Rohre.“ Beachten Sie, dass kurz nach dem Ende von ambliFIBRE 2018 Baker Hughes sein Joint Venture mit Saudi Aramco (Riad, Saudi-Arabien) ankündigte, um den Einsatz nichtmetallischer Rohre auszuweiten, einschließlich des möglichen Einsatzes von carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK).

Baker Hughes zielt nun darauf ab, die Einführung nichtmetallischer Materialien im Energiesektor zu beschleunigen, und es gibt andere Unternehmen, die lasergestützte Technologie für Rohre nutzen, wie Magma (Portsmouth, UK). (Siehe „Thermoplastische Rohre im Tiefsee-Einsatz“ und „Magma Global liefert Hochdruck-Verbundwerkstoff-Riser…“).

„Es ist auch recht üblich, Laserbandwickeln für thermoplastische Verbundwerkstoff-Riser und Flowlines zu nutzen“, sagt Janssen. „Obwohl dies in anderen Branchen noch nicht allgemein bekannt ist.“ Er fügt hinzu, dass ein Großteil der jüngsten Aufmerksamkeit für LATW auf Wasserstoffspeichertanks gerichtet war, die Technologie aber bereits eine viel breitere Anwendung hat.

Innerhalb des ambliFIBRE-Projekts entwickelte Fraunhofer IPT digitale Prozesskontrollmodelle für diskontinuierliches (z. B. Tanks) und kontinuierliches Bandwickeln, beispielsweise zur Herstellung von Rohren mehrere Kilometer lang. Bildnachweis: Fraunhofer IPT Video für ambliFIBRE-Projekt

„Und was wir am Fraunhofer IPT für diese Anwendungen anbieten, ist entscheidend“, sagt Janssen. „Offensichtlich betreiben wir hier in unserem Institut keine vollskalige Produktionslinie für kontinuierliche Rohrproduktion, aber was wir unseren Kunden anbieten, ist Materialprüfung und Produktqualifizierung. Da gibt es zum Beispiel die Prüfpyramide, basierend auf DNV-GL F114, beginnend mit Qualifizierung und Prüfung des Polymers und der Fasern, und dann Skalierung auf die Verbundwerkstoff-Laminat-Mikrostruktur oder Mesostruktur. Wir machen also viele Tests auf Probenebene und skalieren dann auf kleinere Rohre und repräsentative Rohre, weil Wickeln andere Eigenschaften ergibt als Pressen oder automatisiertes Bandlegen (ATL).“

Auch merkt er an: „Weil man unterschiedliche Spannungen im Material hat, werden viele dieser Verbundwerkstoffmaterialien in kleineren Rohren getestet, zum Beispiel 2-3 Zoll bis mehrere Meter lang. Wir machen diese Tests und wenden dann unser Prozessverständnis auf die tatsächliche Bauteillänge an, zum Beispiel 2-3 Kilometer. Und das ist sehr interessant, weil die Verarbeitungszeit bei dieser Länge mehrere Tage umfassen kann, und man Schwindung sowie andere Faktoren berücksichtigen muss, wie Änderungen der Umgebungslufttemperatur, die काफी großen Einfluss haben können.“

LATW bei Wasserstoffspeichertanks

Janssen sagt, Fraunhofer IPT arbeitet seit 2000 mit Öl- und Gasunternehmen zusammen. „Und dann, vor acht Jahren, haben wir festgestellt, dass dies fast dieselbe Technologie ist, die man für Wasserstofftanks braucht“, erinnert er sich. „Und jetzt haben wir hier am IPT eine große Initiative für Wasserstofffertigung und auch für Carbonfaserverbundwerkstoffe in Brennstoffzellen. Wir richten eine 80-Millionen-Euro-Anlage für automatisierte Brennstoffzellenfertigung ein und investieren auch in eine neue, recht große Wickelanlage, damit wir Teile bis zu 7 Meter Länge und 2,5 Meter Durchmesser herstellen können, die wir auch für große Druckbehälter nutzen werden.“

LATW mit thermoplastischen Verbundwerkstoffbändern ist noch nicht Stand der Technik für die Druckbehälterfertigung, sagt Janssen, „weil die Chemie der Thermoplaste, ihre Verarbeitung und Haltbarkeit noch erforscht werden. Aber unsere starke Überzeugung ist, dass die niedrige Permeabilität, Zähigkeit und Recyclingfähigkeit, die Thermoplaste bieten, wichtig sind.“ Er sieht auch Potenzial für Thermoplaste in Typ-V-Druckbehältern, die vollverbundwerkstoffbasiert sind, aber keinen separaten thermoplastischen Liner verwenden. „Diese könnten eine zukünftige Lösung für einige mobile Wasserstoffspeicheranwendungen bieten, wie Brennstoffzellen-Elektro-LKWs.“

„Wir sehen auch, dass konventionelles duroplastisches Filamentwickeln bezüglich minimaler Wickelwinkel begrenzt ist“, sagt Janssen. „Zum Beispiel muss man um die Doms in helikalen Lagen mit nicht viel weniger als 10° Faserwinkel herumwickeln. Man kann also keine 0°-Verstärkung in einen konventionell filamentegewickelten Tank einbringen.“ Allerdings behauptet er: „Beim klassischen LATW wird der eingehende thermoplastische Prepreg direkt auf den Substrat geschweißt, man kann also in jede Richtung gehen, was viel mehr Designfreiheit gibt. Wir führen derzeit Projekte mit Partnern aus der Automobilindustrie zur Entwicklung thermoplastischer Druckbehälter für Wasserstoffspeicherung durch, die sicher, energieeffizient und einfach zu recyceln sind.“

Thermoplastische Verbundwerkstoff-Ventilatorschaufeln

Fraunhofer IPT hat einen sehr starken Hintergrund in Turbomaschinen, sagt Janssen. „Wir haben hier in Aachen das International Center for Turbomachinery Manufacturing, oder ICTM, eine vorwettbewerbliche Gemeinschaft, in der wir mit den Triebwerksherstellern und ihren Zulieferern gemeinsam in vorwettbewerblichen F&E-Projekten arbeiten, um Fertigungstechnologie zu entwickeln und zu verbessern.“

Er merkt an, dass der Fokus in den letzten 20 Jahren hauptsächlich auf der Bearbeitung von Titan oder Nickelbasislegierungen für fortschrittliche Produkte des Verdichterabschnitts und der Turbinen lag, wie dem Blade Integrated Disk (Blisk). Während im Kaltbereich Teile aus Verbundwerkstoffmaterialien – wie Carbonfaser-Verbundwerkstoff-Ventilatorschaufeln – in den 1990ern von GE entwickelt wurden und jetzt im GE90 und GEnx im Einsatz sind. „Jetzt jedoch werden Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC) als Materialien der nächsten Generation für den Heißbereich von Strahltriebwerken gesehen“, sagt Janssen, „die höhere Temperaturen bei weniger Gewicht für größere Effizienz ermöglichen.“

„Die Herstellung von Teilen aus Verbundwerkstoffen im Vergleich zu Metall ist sehr unterschiedlich“, fährt er fort. „Bei Metall beginnt man mit einem Materialblock und leitet das Teil durch subtraktive Bearbeitung ab, meist Zerspanung, sodass das Design nicht so stark von der Fertigung abhängt. Es ist genau das Gegenteil bei Verbundwerkstoffen, die immer irgendeinen generativen Prozess erfordern. Also entschieden wir, dass wir neuartige Ventilatorschaufel-Strategien aus Fertigungsperspektive angehen werden.“

Er weist auch auf das Clean Sky 2 Joint Undertaking hin, in dem Fraunhofer die Eco-Design-Aktivitäten leitet. Fraunhofer IPT konzentriert sich auf das Eco-Design für Triebwerke, was Lebenszyklusbewertung und Evaluierung der Umweltauswirkungen umfasst. „Deshalb haben wir begonnen, thermoplastische Verbundwerkstoffe zu betrachten“, erklärt er. „Bisher sind wir auf einem sehr niedrigen TRL [Technology Readiness Level]. Die Entwicklung dreht sich derzeit um Fertigung und das Ausprobieren verschiedener Prozesswege, wie Near-Net-Shape-Layup und etwas Thermoformen – was eher ein Kalibrierschritt ist – und dann die Endbearbeitung in Bezug auf Zerspanung. Da liegt noch ziemlich viel Arbeit vor uns.“

Gleichzeitig erweitert Fraunhofer IPT seine Expertise in der Zerspanung metallischer Triebwerkskomponenten auf Verbundwerkstoffe, indem es seine digitale Technologie nutzt, um Bearbeitungsparameter an jeder Schaufel zu überwachen und zu bewerten. Aber ist das Ziel bei Verbundwerkstoffen nicht, sich von solcher subtraktiver Fertigung hin zu mehr additiver Fertigung für weniger Abfall zu bewegen? „Ja, aber für einige Prozesswege ist Zerspanung erforderlich, um dimensionsale Toleranzen einzuhalten“, sagt Janssen. „Woran wir gerade arbeiten, ist sehr Near-Net-Shape.“

Er weist darauf hin, dass das derzeit entwickelte Design ein 0,75-Zoll-dickes thermoplastisches Laminat an der Wurzel und nur 2 Millimeter dick an der Spitze aufweist. „Und dann gibt es verschiedene Designstrategien, die wir gemeinsam mit den Designingenieuren diskutieren. Auch, hat man einen Autoklav oder einen Pressschritt für diese Art von hochbelastetem Teil? Das wird auch eine Rolle bezüglich der inneren Spannungen spielen, weil wir wissen, dass sich diese Schaufel während der Rotation etwas verdreht. Und natürlich ist Vogelschlag ein Schlüsselthema.“ Für Letzteres sieht Janssen die erhöhte Zähigkeit von Thermoplasten als Enabler und verweist darauf, dass PPS (Polyphenylensulfid)-Verbundwerkstoffe aus genau diesem Grund in Flügelvorderkanten eingesetzt werden.

Zukünftige Anwendungen für thermoplastische Verbundwerkstoffe

Ich fragte nach der Möglichkeit, thermoplastische Verbundwerkstoffe in Triebwerks-Nacelles einzusetzen, was vielleicht eine Lösung für vier jüngste Blade-Out-Vorfälle bieten könnte, wo, wie in einem März-2021-Aviation Week-Artikel berichtet:

„… Schäden, verursacht durch Schaufelfragmente, die Abschnitte der Triebwerksverkleidung oder Nacelle treffen, lösten eine Reihe von Ereignissen aus, die dazu führten, dass große Strukturbestandteile, einschließlich Teile von Triebwerkseinläufen und Lüfterhauben, abbrachen.“ Bei allen vier Unfällen erlitt der Flugzeugrumpf Schäden, und bei Southwest-Flug 1380 im April 2018 wurde ein Fenster ausgerissen, was einen Passagiertod verursachte.

„Es gibt ein gewisses Interesse aus der Industrie, thermoplastische Verbundwerkstoffe in Triebwerksbereichen einzusetzen“, sagt Janssen, „jedoch ist dies eine langfristige Entwicklung.“ Ein Problem für eine solche Entwicklung ist die Zertifizierung durch Luftfahrtbehörden, ein weiterer Bereich, in dem Fraunhofer IPT aktiv ist. „Wir diskutieren jetzt mit Zertifizierungsstellen, wie wir helfen können, den Zertifizierungsaufwand zu reduzieren, indem wir digital beweisen, dass neue Fertigungsprozesse den aktuellen und sich entwickelnden Standards entsprechen. Das ist eine neue Denkweise. In der Fertigung des 21. Jahrhunderts sind so viele Daten verfügbar, es geht nicht nur darum, einen Prozess oder ein Design durch Tests zu zertifizieren, und dann ist es eingefroren.“ Mit anderen Worten, der heutige Fokus auf Industrie 4.0 und Composites 4.0 ist, dass Sensoren und KI-gestützte Software kontinuierlich Daten sammeln und Intelligenz entwickeln, die dann kontinuierlich die Fertigung optimiert und diese Intelligenz im digitalen Faden rückwärts sendet, um Designs zu verbessern. Das ist tatsächlich sehr anders als die heutige Fertigung.

Fraunhofer IPTs Arbeit bezüglich Zertifizierung, sagt Janssen, „könnte helfen, neue Technologien wie thermoplastische Verbundwerkstoffe für Triebwerksteile zu ermöglichen – das heißt, sobald alle Aspekte, einschließlich Technologie, Design und Risikomanagement, berücksichtigt sind.“ Er behauptet, dass thermoplastische Verbundwerkstoffe enormes Potenzial bieten, um zentrale Herausforderungen in einer Vielzahl von Industriesektoren zu überwinden, und merkt an, dass Fraunhofer IPT daran arbeitet, die Verarbeitungskomplexität thermoplastischer Verbundwerkstoffe zu überwinden – zum Beispiel durch den Einsatz neu verfügbarer digitaler Fertigungsmethoden. „Darüber hinaus kann das Potenzial thermoplastischer Verbundwerkstoffe nur vollständig ausgeschöpft werden, sobald der gesamte Lebenszyklus – einschließlich Wiederverwendung und Recycling – berücksichtigt wird“, sagt Janssen. „Daher arbeitet Fraunhofer IPT auch an der mechanischen Recycling von thermoplastischen Verbundwerkstoffen. Wir sehen, dass es möglich sein wird, hochwertiges Recyclingmaterial zu erzielen, indem man sowohl die während der Fertigung generierten Daten als auch die während des gesamten Lebenszyklus von Verbundwerkstoffkomponenten generierten Daten berücksichtigt.“