STUNNING-Projekt erreicht 8,5 Meter thermoplastischen Rumpfhaut, fördert nachhaltiges Flugzeugdesign

Im Rahmen der EU-Initiative Clean Sky 2 sucht die Luft- und Raumfahrtindustrie nach einem Flugpfad zur Nachhaltigkeit, insbesondere durch den Übergang von Aluminium zu kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen, um Flugzeugstrukturen zu verbessern und Emissionen drastisch zu reduzieren. Das Clean Sky 2 Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD)-Programm, das 2017 begann, besteht aus Dutzenden einzelner Projekte und Arbeitspaketen (mehr dazu in „Proving out LM PAEK welding for Multifunctional Fuselage Demonstrator“). Insbesondere das STUNNING-Projekt (SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastic fuselaGe), das die Entwicklung des unteren Rumpfabschnitts des MFFD zum Ziel hat, hat kürzlich eine 8,5 Meter lange Rumpfhaut aus Thermoplasten via automatisierter Faserablage (AFP) produziert (siehe Video unten).

STUNNING wird von GKN Fokker (Papendrecht, Niederlande) geleitet mit Schlüsselpartnern Diehl Aviation (Laupheim, Deutschland), Netherlands Aerospace Centre (NLR, Amsterdam, Niederlande) und Technische Universität Delft (TU Delft, Delft, Niederlande). Das Projekt zielt darauf ab, automatisierte Montageprozesse, thermoplastische Fertigungs- und Schweißtechnologien, integriertes Design und Fertigungsentwicklung sowie fortschrittliche elektrische Systemarchitekturen weiter zu reifen.

„Wahrscheinlich ist die Hälfte der europäischen Luft- und Raumfahrtindustrie am MFFD-Projekt beteiligt, da wir wirklich tief in die Erforschung verschiedener Fertigungstechniken eintauchen, alle mit Nachhaltigkeit im Blick“, beschreibt Joachim de Kruijk, Senior R&D-Verbundwerkstoffingenieur bei NLR. „Bei der Erforschung der verschiedenen Fertigungsoptionen und Materialien glauben wir, dass der beste Weg, dieses Ziel einer nachhaltigeren Rumpfstruktur zu erreichen, die Nutzung der neuen Generation thermoplastischer Materialien ist. Wir sehen, dass ein solches Material einen Wechsel im Fertigungsansatz und Designtechniken ermöglichen kann, der zu viel leichteren Flugzeugen führt, was weniger Treibstoffverbrauch und geringere CO₂- und NOx-Emissionen bedeutet, während die von traditionellen Aluminiumflugzeugen erwartete Festigkeit und Sicherheit beibehalten wird.“

Eine Reihe moderner Flugzeuge, wie der Airbus A350 XWB und die Boeing 787 Dreamliner, nutzen bereits Duroplast-Verbundwerkstoffe in der Konstruktion von Teilen und Halterungen und sogar der Rumpfhaut, so Clean Sky. Im STUNNING-Projekt jedoch waren Experten von GKN Fokker und NLR mit dem Design für die Fertigung beauftragt, das hohe Produktionsraten großer, struktureller Teile für Flugzeuge ermöglicht.

„Eine der echten Verbesserungen, die der Einsatz von Thermoplasten bietet, ist, dass während des Fertigungs- und Montageprozesses, im Gegensatz zu Duroplasten, dieses Material mehrmals erhitzt und wiedererhitzt werden kann, um Gleichmäßigkeit und Verbindung zu gewährleisten“, erklärt De Kruijk. „In STUNNING war eines unserer Ziele zu zeigen, wie die verschiedenen Prozesse kombiniert werden können, um sowohl strukturelle als auch nicht-strukturelle Komponenten für die vollständige Integration zu bauen. Dazu setzten wir uns zum Ziel, die gesamte untere Hälfte eines Rumpfes zu bauen, um Einblicke nicht nur in die Fertigbarkeit der Flugzeugaußenhaut, sondern auch in die Unterstrukturen wie Stringer unter der Haut und andere strukturelle Teile wie Bodenträger sowie Teile der Kabine, der Systeme und sogar Frachttüren zu gewinnen.“

Mit diesen hohen Zielen im Hinterkopf machten sich die Kooperationspartner daran, ihre verschiedenen Fertigungstechniken zu testen, um die zahlreichen Teile und Strukturen zu bauen, die in einen Rumpf integriert werden sollten. Für NLR bedeutete dies, sein Wissen und seine Produktionsfähigkeiten mit dem größten Teil von allen zu testen, dem Unterbauch der Rumpfstruktur. Mit Hilfe seiner hauseigenen, hochmodernen AFP-Maschine erreichte NLR angeblich sein Ziel und baute die untere Hälfte der Rumpfhaut – ein Einzelstück, 8,5 Meter lang und 4 Meter im Durchmesser – das angeblich das größte bekannte einzelne thermoplastische Teil ist, das je hergestellt wurde.

Dies war keine kleine Leistung, so Clean Sky. Während Verbundwerkstoffe wie Duroplaste zunehmend im Flugzeugbau eingesetzt werden, sind große Thermoplastteile für das Feld relativ neu, was auch bedeutet, dass sie im Vergleich etwas kostspieliger sein können. Aber laut De Kruijk ist das nur der scheinbare Wert, da die Vorteile den Preis bei weitem überwiegen.

„Weil es neuer ist und aufgrund seiner Eigenschaften sind Thermoplaste etwas teurer als Duroplaste. Aber es gibt eine Reihe von differenzierenden Faktoren, die den Einsatz des neuen Materials lohnenswert machen. Zum Beispiel sind Thermoplaste etwas leichter als Duroplaste, weil es ein zäheres Matrixmaterial ist und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Schlagbeschädigung hat, was wichtig ist“, erklärt De Kruijk. „Darüber hinaus ist die Art und Weise, wie das Material in der Fertigung eingesetzt werden kann. Um verschiedene Teile oder Stücke von Thermoplasten zu verbinden, muss man das Material einfach erhitzen, um es zusammenzuschweißen. Das bedeutet, wir eliminieren die Hunderttausende von Nieten, die herkömmliche Flugzeuge zusammenhalten, was zweifellos zu dramatischeren Gewichtseinsparungen führen wird.“

Ein weiteres Thema, mit dem NLR beauftragt wurde, ist, wie man Flugzeuge, die aus Thermoplasten konstruiert sind, inspiziert, wartet und repariert. Da der Einsatz großer Verbundwerkstoffteile in Flugzeugen bisher etwas begrenzt ist, gibt es viel weniger Daten und Praxis in Inspektion, Wartung und Reparierbarkeit.

„Derzeit arbeiten wir an der Entwicklung von Technologien für eine Reihe von zerstörungsfreien Prüfverfahren [NDI], um Flugzeuge zu inspizieren, wie Thermografie und Scherografie, aber diese Technologie reift noch. Derzeit setzen wir Ultraschallprüfung ein, um nach Fehlern und Problemen zu suchen, aber das kann ein zeitaufwendiger Prozess sein“, schlägt De Kruijk vor. „Allerdings ist die aktuelle Inspektion und Wartung konventioneller Flugzeuge auch langsam. Aufgrund der Natur von Thermoplasten, mit der Fähigkeit, wiedererhitzt und verschweißt zu werden, sehen wir, dass Wartung viel schneller als bei traditionellen Flugzeugen durchgeführt werden kann. Stellen Sie sich vor, wie viel Zeit gespart werden kann, indem man nicht jeden einzelnen Niete über die gesamte Struktur einzeln von Hand prüfen muss.“

Aufgrund der Größe der finalen Haut wurden zwei Segmente produziert. Mit Abschluss der Ablage des zweiten 90-Grad-Segments der unteren Rumpfhaut ist der nächste Schritt, die beiden 90-Grad-Segmente der unteren Rumpfhaut zu einem 180-Grad-Rumpfhautsegment zu konsolidieren und zu verbinden. Dazu wird jedoch angeblich ein sehr großer Autoklave benötigt, der sowohl die übergroßen Stücke aufnehmen als auch erhitzen kann, um sie zu verbinden. Da es keinen solchen Autoklaven in den Niederlanden gibt, werden die beiden Hälften nach Deutschland zur Integration transportiert. Der Prozess war für Ende Juni geplant.

„Angenommen, wir können im Juni mit dem Verbinden dieser beiden Rumpfstücke vorankommen, erwarten wir, dass wir die konsolidierte Haut bis zum Sommer zurück am NLR haben, um den detaillierten NDI-Prozess zu starten, um den Erfolg zu testen und zu verifizieren und die Qualität der vollständigen unteren Rumpfhaut gründlich zu etablieren“, illustriert De Kruijk. „Danach werden wir es an unsere Partner bei GKN Fokker versenden, wo die verschiedenen Teile, die im STUNNING-Projekt entwickelt wurden, vollständig montiert und integriert werden können.“

Für eine vollständige Zusammenfassung zum MFFD-Projekt siehe „Moving forward on the Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD).“ Für mehr zu Induktionsschweißen sehen Sie dieses Webinar, präsentiert von GKN Fokker.

Dieses Projekt wurde gefördert vom Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) unter Grant Agreement Nr. 945583. Das JU erhält Unterstützung aus dem EU-Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 und den Clean Sky 2 JU-Mitgliedern außerhalb der Union.