Thermoplaste ermöglichen signifikante Gewichtsersparnisse in modernen Flugzeugen

Der von Victrex, Tri-Mack und Safran Cabin entwickelte Flugzeug-Gepäckfachhalter integriert zwei Carbon-Fiber/PAEK-Einlagen, überformt mit PEEK-Harz. Ergebnis: 50 % Massenreduktion, 20 % Kostensenkung, substantial verbessertes Buy-to-Fly-Verhältnis. Quelle: Victrex

Bei der Umwandlung metallischer Aerostrukturen in duroplastische Composites wurde das meiste „low-hanging fruit“ – Tragflächen, Rumpf, Leitwerke – bereits gepflückt. In nächsten Flugzeuggenerationen werden Thermoplast-Composites sicher eine große Rolle bei Großstrukturen spielen. Doch bereits heute gibt es Umwandlungschancen für Thermoplaste.

Ein solches Teil – selten gesehen, aber hochwichtig: innenliegende lasttragende Halter. Diese Halter (aktuell Aluminium, Edelstahl, Titan) befestigen Trennwände, Toiletten, Galleys und Gepäckfächer an Boden und Rumpf. Vielfältige Formen und Größen je nach Anbauteil. Einzelne Halter wiegen wenig, aber pro Flugzeug werden hunderte verbaut – Gesamtgewicht substanziell.

Luftfahrt-Innenausstatter Safran Cabin (Huntington Beach, Kalifornien) erkannte dies und wandte sich an Thermoplast-Composite-Spezialist Victrex (Thornton Cleveleys, UK) und Fertiger Tri-Mack Plastics Manufacturing (Bristol, Rhode Island), um einen Aluminium-Gepäckfachhalter in ein neues Design aus VICTREX AE 250 Carbon-Fiber/PAEK-UD-Tape, überformt mit VICTREX PEEK 150CA30 Polymer, umzuwandeln.

Bauteilaufbau und Fertigung

Der Halter hat rechteckige Basis mit zwei vertikalen Einlagen mittig aus der Basis ragend. Basis: je eine formintegrierte Bohrung an jeder Ecke für Befestigungselemente; jede Einlage hat Bohrung nahe Scheitel für Befestigungsstifte und Hardware. Einlage aus Carbon-Fiber/PAEK; Basis überformt mit PEEK-Harz.

Victrex und Tri-Mack, mit Safran Cabin, lieferten Materialien, Bauteildesign-Optimierung, Verarbeitungs- und Werkzeugkompetenz für Designfeatures und Key Performance Parameters. Safran Cabin brachte Design- und Fertigungsexpertise für Luftfahrttauglichkeit und Zertifizierungsumgebungen ein.

Tim Herr, Director Aerospace bei Victrex: Einlagen werden auf Dieffenbacher (Windsor, Ontario, Kanada) Fiberforge-Maschine gefertigt, die Carbon-Fiber/PAEK-UD-Tapes legt zum Laminataufbau. Laminat: Presskonsolidierung, Kantenbeschnitt, Wasserstrahlschnitt zu Einlagen. Beim Wasserstrahlschnitt wird jede Einlage an der Basis ausgespart (scalloped) für mechanische Verriegelungsoberfläche beim Überformen.

Einlagen werden in Werkzeug platziert, gefolgt von Spritzüberformen des PEEK. „Beim Überformen erzeugen wir eine sehr starke Verbindung zwischen PAEK-Composite-Einlage und spritzgegossenem PEEK-Material“, sagt Herr. Schlüssel: einzigartige Kombination PAEK und PEEK. PAEK hat Prozesstemperatur ca. 40 °C niedriger als PEEK. Dieses Temperaturdelta ermöglicht innige, dauerhafte Verbindung. „Ohne Erfindung von PAEK wäre hybrides Überformen dieser Art unmöglich gewesen“, argumentiert Herr.

Entwicklungsprozess: Simulation, Prototyping, Testing

Diese Design/Prozess-Kombination erforderte extensive Simulation, Analyse, Prototyping und physisches Testing, durch das Victrex mehrere Design- und Prozessfehler identifizierte: Einlagenverformung, Harzflusszögerungen, Bond/Interface-Versagen, Lunker. Zurück zum Drawing Board für Designoptimierung, zurück an Spritzgießmaschine für Prozessoptimierung. Finales Design/Prozess überwand Herausforderungen und bewies Machbarkeit des Thermoplast-Composite-Überformhalters.

Initialprototypen bei Tri-Mack gefertigt. Gegenüber Original-Aluminiumteil: 20 % Kosteneinsparung, 50 % Gewichtseinsparung, 5x besseres Buy-to-Fly-Verhältnis.

„Wir müssen auf viele Anforderungen für Flugzeug-Halter und ähnliche Strukturteile reagieren, jeder Fall mit vielen Last-, Constraints- und Expositionsbedingungen“, sagt Tyler Smithson, R&T Engineer bei Safran Cabin. „Schlüssel zum Erfolg: flexible Composite-Plattform für multiple Projekte, reduziert Teilanzahl und Designkomplexität, verkürzt Time-to-Market, beschleunigt Time-to-Revenue.“

Victrex: Hybrides Überformverfahren ist skalierbare, wiederholbare Technologie mit Potenzial, kommerzielle Luftfahrtkunden bei Ausschussreduktion, Zykluszeitbeschleunigung, Bauteilkonsolidierung und Reduktion Sekundäroperationen zu unterstützen.

Testergebnisse nach zweiter Designiteration zeigten substantielle Verbesserung bei Lastgrenzen und Versagensbedingungen.

„Bei Victrex sind wir stolz auf unsere Track Record bei Einführung ‚disruptiver‘ technologischer Ansätze in unseren Sektoren,利用 unser Know-how in Verarbeitung und Performance von PAEK-Materialien zur Beschleunigung der Kommerzialisierung“, kommentiert Herr. „Hybrides Überformen und VICTREX AE 250 Composites fallen sicher in diese Kategorie, aber das ist erst der Anfang. Wir testen unser Composites-Angebot weiter, mit Support von Kunden und Partnern, um das volle Potenzial zu demonstrieren.“

Aktuell: finale Tests und Qualifizierung der Serienteile geplant. „Ziel: Composite-Halter Ende 2019 in Dienst stellen. Wir haben alles getan zu demonstrieren, dass dieser Halter performt“, sagt Herr.

Victrex' Frank Ferfecki, Safrans Tyler Smithson und Tri-Macks Chris Bjerregaard präsentieren Entwicklung des Safran-Hybridhalters auf CAMX 2019, Anaheim Convention Center, 24. Sept., 14:30, Raum 201D.