Fraunhofer IPT automatisiert Fertigung von thermoplastischen CFK-Turbinenschaufeln und steigert Effizienz

Materialien für die Luftfahrt müssen höchst belastbar und gleichzeitig so leicht wie möglich sein. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) bieten beides und werden daher zunehmend in Turbinenschaufeln von Triebwerken eingesetzt (siehe „Rolls-Royce startet Fertigung der weltweit größten Turbinenschaufeln“). Doch die Herstellung dieser Bauteile ist extrem zeit- und kostenintensiv, da sie mehrere Stunden im Autoklav aushärten müssen. Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT, Aachen) treibt die Automatisierung der CFK-Schaufelfertigung nun entscheidend voran.

Vom Epoxidharz zum Thermoplast: Vorteile in der Verarbeitung

Die Fertigung vieler CFK-Bauteile ist bereits teilautomatisiert. Vorgeimpregnierte Halbzeuge (Prepregs) – meist auf Epoxidharzbasis – werden in dünnen Lagen richtungsorientiert abgelegt. Das resultierende Layup härtet dann unter Druck und Hitze im energie-, kosten- und zeitaufwendigen Autoklavprozess aus. Das Fraunhofer IPT forscht daran, die Herstellung von CFK-Schaufeln weiter zu automatisieren und damit wirtschaftlicher zu gestalten.

Dabei setzen die Forscher nicht auf epoxidharzbasierte Werkstoffe, sondern auf thermoplastische Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe. Diese kommen seit Jahrzehnten in fliegenden Strukturen zum Einsatz, überzeugen durch exzellente Leichtbaueigenschaften und Schlagzähigkeit und lassen sich schnell und flexibel automatisiert verarbeiten. Da sie thermoplastisch sind, benötigen sie keine chemische Vernetzung zum Aushärten, sondern nur Erhitzen zum Schmelzen und Druck beim kontrollierten Abkühlen zur Konsolidierung. Zudem können sie erneut erhitzt und umgeformt werden.

Thermoplastische Verbundwerkstoffe eignen sich daher viel besser für effiziente Fertigungsprozesse, erklärt Dr.-Ing. Henning Janssen, Leiter der Abteilung Faserverbund- und Lasersystemtechnik am Fraunhofer IPT. In mehreren Versuchsreihen gelang es seinem Team erstmals, zwei solche Prozesse für die Schaufelfertigung zu kombinieren: vollautomatisches Tape-Laying und Umformen.

Flexible Prozesskette: Automatisiertes Tape-Laying und Thermoformen

Mit einer vollautomatischen Tape-Laying-Anlage, einer Eigenentwicklung des Fraunhofer IPT, die unter Lizenz kommerzialisiert wird, werden unidirektional (UD) verstärkte Thermoplastbänder lagenweise entsprechend der erforderlichen Belastungsrichtung aufgebracht. So entsteht ein mehrlagiges, hochbelastbares und flexibles Panel – ein sogenanntes Organoblech. Die Forscher überwachen und dokumentieren jeden Schritt des vollautomatischen Prozesses mittels diverser Sensoren. So können sie während der Fertigung in die „Black Box“ der Produktion blicken und für jedes Organoblech einen „digitalen Schatten“ erzeugen. Dieses virtuelle Abbild des realen Organoblechs ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Qualitätsabweichungen und gezielte Gegenmaßnahmen.

Das fertige Organoblech wird im nächsten Fertigungsschritt erhitzt und im Thermoformprozess nahtlos in Form gebracht. In den vorangegangenen Versuchsreihen wurde der Prozess zunächst an 16 Millimeter dicken, gewebeverstärkten Organoblechen aus PA12 und Kohlenstofffasern getestet und soll bald auf Organobleche aus PEEK und Kohlenstofffaserbändern übertragen werden.

Testreihen zum Fräsen von FRP-Bauteilen

Nach dem Thermoformen werden die Ränder des umgeformten Organoblechs beschnitten und in die finale Form gefräst. Das Fräsen von FRP ist aufgrund der heterogenen Materialstruktur äußerst anspruchsvoll. Zudem wirken Kohlenstofffasern hoch abrasiv auf die Schneide des Fräswerkzeugs, was zu starkem Werkzeugverschleiß und schwankender Bearbeitungsqualität führt.

Eine Möglichkeit zur Verlängerung der Standzeit ist der Einsatz von Fräswerkzeugen mit polykristallinem Diamant (PKD)-Beschichtung. Bei ihren Versuchen zur Zerspanung von CFK-Schaufeln im kleineren Maßstab stellten die Forscher fest, dass die Standzeit von PKD-beschichteten Fräsern deutlich höher liegt als die unbeschichteter Werkzeuge. Zudem hatte eine individuell angepasste Frässtrategie positiven Einfluss auf die Bearbeitungsqualität.

Umsetzung in verschiedenen industriellen Anwendungskontexten

Die ersten Ergebnisse mit thermoplastischen CFK-Werkstoffen sind vielversprechend: „Wir konnten zeigen, dass die verknüpften Fertigungsprozesse – Herstellung und Finish der Schaufeln – funktionieren“, sagt Daniel Heinen, Leiter des Geschäftsbereichs Turbomaschinen am Fraunhofer IPT. „Wir erzielten sehr gute Oberflächenqualitäten sowohl in radialer Schaufelrichtung als auch zwischen Vorder- und Hinterkante. Nun müssen die einzelnen Prozesse genauer untersucht und optimiert werden.“

Für die kommenden Monate sind Forschungsprojekte geplant, in denen die neuen Verfahren weiter optimiert und in verschiedenen industriellen Anwendungskontexten erprobt werden. Besonders interessieren sich die Aachener Wissenschaftler für den Einsatz von Hochleistungsthermoplast PEEK als Matrix und die Integration von Sensorik direkt im Organoblech. Letzteres würde nicht nur die Überwachung der Fertigungsprozesse, sondern auch den Bauteilzustand während des späteren Einsatzes im Triebwerk ermöglichen. Auch die Übertragung der Prozesskette auf andere Bauteile wird angestrebt – beispielsweise auf Leitschaufeln, Nacelle-Komponenten sowie Bauteile außerhalb der Luftfahrt. Das Fraunhofer IPT begrüßt interessierte Unternehmen, die sich an den Projekten beteiligen möchten.