Paris Air Show 2019: Wichtigste Highlights und Brancheninsights

Der composite-intensive Airbus A400M Militärtransporter in der statischen Ausstellung auf der Paris Air Show 2019. Quelle | CW

Die Erwartungen waren gemischt vor der Paris Air Show 2019 (17.–23. Juni). Man hoffte, Boeing würde mehr Grundlagen für das New Midsize Aircraft (NMA) legen, doch die 737 MAX-Krise hat viel Energie und Aufmerksamkeit des Unternehmens gebunden. Tatsächlich gab Boeing am ersten Messetag nur eine sehr allgemeine Ankündigung zu Geschäftsbedingungen und veröffentlichte seine 20-Jahres-Prognose für Verkehrsflugzeuge. Nichts zum NMA. Der größte Coup Boeings während der Show war der Verkauf von 200 737 MAX an die International Airline Group (IAG).

Airbus hingegen kündigte die A321XLR (LR = Long Range) an, die neueste Iteration der A320neo. Geplant für Eintritt in Dienst 2023, wird die A321XLR eine Reichweite von 4.700 Seemeilen haben, erreichbar durch zusätzlichen Treibstofftank. Airbus erklärte, die Reichweite des Flugzeugs werde Airlines günstigere Ein-Gang-Optionen auf Strecken bieten, die derzeit hauptsächlich von teureren Zweigang-Flugzeugen bedient werden. Solche Strecken umfassen New York–Rio, Shanghai–Sydney und Madrid–Dubai.

Trotz fehlender NMA-Nachrichten zeigt sich bei den auf der Paris Air Show ausstellenden Composite-bezogenen Unternehmen ein klarer Wille, Material- und Prozesstechnologien zu entwickeln und auszurichten, um den Anforderungen gerecht zu werden, die Boeing und Airbus in den kommenden Jahren an die Lieferkette stellen. Dazu gehören traditionelle Duroplast-Prepregs mit Autoklavhärtung, Flüssigharzinfusion trockener Fasern mit Out-of-Autoclave-Härtung, thermoplastische Composites und Additive Fertigung. Die Erwartungshaltung in der gesamten Lieferkette ist spürbar.

Dieses EVTOL von Boeing war eines von mehreren auf der Paris Air Show ausgestellten. Quelle | CW.

Auf dem Flugfeld gab es das übliche Aufgebot an Verkehrs-, Militär- und Zivilflugzeugen mit täglichen Flugvorführungen. Auffällig in der Luft waren Vorführungen elektrisch angetriebener Flugzeuge, die einen starken und leisen Kontrast zum ohrenbetäubenden Lärm der Jagd- und Verkehrsjets bildeten. In den statischen Ausstellungen gab es eine Reihe von EVTOL (Electric Vertical Takeoff and Landing) Fluggeräten, die auf den Urban-Mobility-Markt abzielen. Dieser Flugzeugtyp erweist sich insbesondere als signifikantes Ziel für Composite-Materialien, die für elektrisch angetriebenen Flug unverzichtbar sind. Allerdings werden die Produktionsvolumen einiger dieser Plattformen wahrscheinlich in die Tausende pro Jahr gehen, was Material- und Prozesstechnologien eher in Richtung eines automobilnahen Produktionsmodells drängt. Dennoch stecken EVTOLs in ihren Kinderschuhen, insbesondere angesichts der noch zu nehmenden regulatorischen, Zulassungs- und Luftraummanagement-Hürden.

Nachfolgend die Highlights der Show.

Spirit AeroSystems. Der weltweit größte Luftfahrtstrukturlieferant Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, USA) eröffnete die Show am Montagmorgen mit einer Pressekonferenz zur Einführung seines ASTRA-Rumpfpanels (Advanced Structures Technology and Revolutionary Architecture), das zeigt, wie ein vollständig compositiver Rumpf gestaltet werden könnte, um Performance-, Rate- und Kostenanforderungen eines nächsten Ein-Gang-Flugzeugs zu erfüllen. Design und Fertigung dieses Panels werden in einem separaten Artikel behandelt.

Rückseite des Spirit AeroSystems ASTRA Demonstrator-Rumpfpanels für nächste Generation, hochfrequente Ein-Gang-Flugzeuge. Quelle | CW

MTorres. Ein weiteres bemerkenswertes Composite-Panel auf der Show fand sich am Stand von MTorres (Torres de Elorz, Navarra, Spanien). Diese rippenversteifte „Gitter/Haut-Struktur“, hergestellt durch Harzinfusion trockener Carbonfasern, ist eigentlich das Werk von Stephen Tsai, Composite-Veteran und emeritierter Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Stanford University, der am MTorres-Stand anwesend war, um es zu erklären. Tsai sagte, er habe dieses Design vor einigen Jahren konzipiert und basiere auf der Gitter/Haut-Struktur, die bei der Herstellung des Vickers Wellington eingesetzt wurde, einem britischen WWII-Bomber von Vickers-Armstrongs, berühmt für seine strukturelle Integrität bei Abstürzen. Um dieses Design in einer Composite-Anwendung zum Leben zu erwecken, entwarf Tsai die Rippen in einer Gitterstruktur, wobei jede Rippe eine feste Breite und Höhe hat und der Abstand zwischen den Rippen ebenfalls fix ist.

Steve Tsai steht mit dem von ihm entworfenen und von MTorres gefertigten rippenversteiften Panel. Der Schlüssel ist präzise Faserablage für den Rippenbau. Quelle | CW

Die Herausforderung seines Designs, so Tsai, war die Entwicklung von Rippenverbindungen, die großen mechanischen Lasten standhalten. Was er entwickelte, war eine Rippenarchitektur, die Carbonfaserbänder kontinuierlich in eine Richtung (nennen wir sie A) und diskontinuierlich in der sich schneidenden Richtung (B) platziert. Dann, für die nächste Lage, werden Bänder diskontinuierlich in A-Richtung und kontinuierlich in B-Richtung platziert. Dieses Muster setzt sich fort, bis die gewünschte Rippendicke erreicht ist. Auf diese Weise wird jede Rippenverbindung immer von einem kontinuierlichen Band gekreuzt. Sobald die Rippen im Werkzeug aufgebaut sind, wird eine Haut per Automated Fiber Placement (AFP) oder Automated Tape Laying (ATL) aufgelegt und die gesamte Struktur ko-kuriert.

Die Vorteile dieses Designs, so Tsai, seien mehrere, aber der primäre sei, dass es „schwer für Schäden ist, über den lokalisierten Bereich hinauszugehen“, was bedeutet, dass ein Riss in der Haut nicht leicht über eine der die betroffenen Bereiche begrenzenden Rippen migrieren kann. Tsai sagte auch, die Gitter/Haut-Struktur sei hoch gewichts- und materialeffizient. Dennoch bemerkte er: „Das ist einfach zu designen, aber schwer zu fertigen.“ Genau hier kommt MTorres ins Spiel.

Nahaufnahme einer Rippenverbindung am MTorres rippenversteiften Panel auf der Paris Air Show. Tsai sagt, sein Design könnte Anwendung in Luftfahrt- und Automobilteilen finden. Quelle | CW

Tsai sagte, der limitierende Faktor in der Fertigung seines Panel-Designs war die Platzierung der Rippenbänder. Für eine vollständige Industrialisierung benötigten sie Bandplatzier-Schneidgeschwindigkeit und -genauigkeit, die bis vor kurzem nicht möglich waren. Tsai wandte sich jedoch an MTorres mit seinem Design und fragte, ob der ATL/AFP-Spezialist den Job machen könnte. Iñigo Idareta, Leiter Special Projects bei der Firma, und das MTorres-Composite-Team wurden auf die Aufgabe angesetzt und arbeiteten mit Tsai zusammen, um MTorres-Technologien an die Anwendung anzupassen. Es gab zwei Herausforderungen, so Idareta auf der Air Show: Feinabstimmung von Bandplatzier-Schneidgeschwindigkeit und -genauigkeit, wobei MTorres' AFP Cut-on-the-Fly-Fähigkeit entscheidend war, um konstante hohe Lagenrate beizubehalten; und Entwicklung von Werkzeuglösungen, die den Aufbau jeder Rippe ohne Verlust der Stapelintegrität ermöglichten. Weiterhin war die Nutzung von MTorres' eigenem Trocken-Carbonfaserformat für AFP-Anwendungen nötig, um diese anspruchsvolle Infusion zu ermöglichen. All dies wurde erreicht, so Idareta. Ebenfalls erreicht, basierend auf Tsais Design, ist die Nutzung von Off-Winkel-Faserablage für die Panel-Haut, die vier Lagen und ca. 1,2 mm dick ist.

Jeff Sloans rudimentäre Skizze, die versucht zu zeigen, wie die Rippen gebaut werden. Kontinuierliche Faser wird zuerst in eine Richtung (A) platziert, während diskontinuierliche Faser in die andere Richtung (B) platziert wird. Für die nächste Lage wird kontinuierliche Faser in B-Richtung platziert, während diskontinuierliche Faser in A-Richtung platziert wird. So wird die Rippenverbindung immer von kontinuierlicher Faser überdeckt. Quelle | CW

Die verwendete Carbonfaser war ein trockenes 50K-Material von Mitsubishi Chemical Carbon Fiber & Composites Inc. (Sacramento, Kalifornien, USA), gewählt hauptsächlich, weil es das Material war, das MTorres vorrätig hatte. Das Harz war ein „standardmäßiges“ industrietaugliches gehärtetes Epoxid. Idareta sagt, das Panel wurde von Alan Nettles bei NASA getestet und schnitt gut ab. Besonders die Rippen-Haut-Verbindung sei exzellent gewesen. Tsai gab zu, dass die Schwachstelle des Panels die Rippenverbindung sei, die ein Kreuzlagen-Laminat [0/90] sei. Die Rippen waren alle [0]. So hatten die Verbindungen etwa die Hälfte der uniaxialen Zugfestigkeit und etwas mehr als die Hälfte der uniaxialen Druckfestigkeit. Selbst mit dieser Schwäche ist die Gitter/Haut-Festigkeit mehr als doppelt so hoch wie die aktuelle Aluminiumtechnologie desselben Designs, ohne das zusätzliche geringere Gewicht der Composites zu berücksichtigen. Tsai sagte auch, Aluminium müsste dreimal so viel wiegen, um die gleichen Festigkeitseigenschaften wie sein Design zu erreichen.

Was kommt als Nächstes für diese Technologie? Tsai sagte, sie sei „ready for application“ und listete mehrere mögliche Bauteiltypen auf: Rumpfstrukturen, Trägerraketenkörper, Automobilpaneele, Batteriegehäuse. Idareta sagte, MTorres arbeite an der Iteration des Designs, einschließlich Entwicklung eines gekrümmten Panels und eines vollständigen Fasspanels. Beides sei erreichbar.

Auch mehrere Aspekte von Tsais Design könnten modifiziert werden, um verschiedene Lastfälle zu erfüllen. Dazu gehören Rippenbreite, Rippenhöhe, Schnittwinkel und Abstand zwischen Rippen. Außerdem, obwohl MTorres Infusion zur Herstellung des Panels auf der Air Show nutzte, könnte es auch mit traditionellem Duroplast-Prepreg gefertigt werden.

GKN Aerospace. Der Commercial Wing Spezialist GKN Aerospace (Redditch, UK) kündigte auf der Air Show an, dass er die ersten Teile für seinen Anteil am Airbus Wing of Tomorrow Programm gefertigt hat, einer fünfjährigen (2018–2022), multi-company, UK Catapult-Initiative zur Entwicklung von Material- und Prozesstechnologien für hochfrequente (100 pro Monat) Fertigung von harzinfundierten Carbonfaser-Composite-Flügeln für ein nächstes Ein-Gang-Flugzeug.

Paul Perera, VP Technology bei GKN Aerospace, war auf der Air Show und gab weitere Details zum Programm. Er sagte, GKN habe derzeit 60 Mitarbeiter, die an Holm und Rippen für den Flügel arbeiten, wobei der Großteil der Arbeit im Global Technology Center von GKN geleistet wird, das später dieses Jahr in neue Einrichtungen in Filton, UK, umzieht.

Der Holm wird von GKN trocken fasergelegt und dann infundiert. Die Rippen werden aus sowohl thermoplastischen Composites als auch Aluminium gefertigt. Das National Composites Centre (Bristol, UK) arbeitet an mehreren Technologien für Wing of Tomorrow, einschließlich iCAP (Digital Capability Acquisition Programme) zur Entwicklung datenbasierter Automatisierungslösungen sowie automatisierter Faserzuschnitt- und -platzierungssysteme von Loop Technology (Poundberry, Dorchester, UK), die in der Flügelfertigung eingesetzt werden. Northrop Grumman (ehemals Orbital ATK, Clearfield, Utah, USA) entwickelt Stringer für das Programm. Untere Flügelschalen werden von Spirit AeroSystems in dessen Prestwick, Schottland, Anlage gefertigt; Obere Flügelschalen von Airbus. Ziel ist die Lieferung von drei Shipsets an das Airbus-Flügelwerk in Broughton, UK, zur Montage in den nächsten 18 Monaten, mit dem ersten im Juni 2020, dem zweiten Ende 2020 und dem dritten Anfang 2021. Letztlich, wenn das Programm planmäßig verläuft, wird es Harzinfusion als tragfähigen Prozess für hochfrequente Produktion eines Composite-Flügels für ein nächstes Ein-Gang-Flugzeug beweisen. Perera sagt, 1-Meter-Holmabschnitte, die an der GKN-Anlage auf Isle of Wight, UK, produziert und bewertet wurden, zeigen, dass Materialien und Prozess gut zur Anwendung passen.

Perera merkte an, dass ein großer Teil des Wing of Tomorrow Programms sich um Automatisierungsentwicklung drehen wird. Tatsächlich, so sagte er, wird Automatisierung ein Schlüssel-Enabler für Harzinfusion für die nächste Luftfahrtgeneration sein.

Solvay Composite Materials. Wenn Sie Beweise dafür suchen, wie der Fokus auf Luftfahrt-Fertigungsindustrialisierung und Produktionseffizienz bis zu Materiallieferanten durchdringt, schauen Sie nicht weiter als Solvay Composite Materials (Alpharetta, Georgia, USA), das mitten in einem mehrjährigen Bemühen steckt, neu zu bewerten, wo und wie es Luftfahrt-Harze, Bänder und Prepregs produziert. Der Schwerpunkt von Solvay liegt auf der Entwicklung einer Operationsstrategie, die auf Anlagen fokussiert ist, die weniger Produkttypen auf hochspezialisierter Ausrüstung fertigen, die die Rate- und Qualitätsanforderungen der nächsten Flugzeuggeneration erfüllen kann. Marc Doyle, Solvays Executive VP Aerospace, sagt, die neue Anlage in Wrexham, Wales, UK, sei symbolisch für diesen Aufwand. Dieses Werk, das im September 2018 eröffnet wurde, produziert nur zwei Produkttypen (Klebstoffe), aber in einer hochstrukturierten, hochoptimierten, automationsdominierten Umgebung, die auf Just-in-Time-Anforderungen der Kunden ausgelegt ist. Das Unternehmen erwartet, diesem Modell bei allen neuen Anlagen zu folgen und wird versuchen, Bestandsanlagen entsprechend umzurüsten.

Auf der Materialinnovationsfront hob Solvay zwei bemerkenswerte Bemühungen hervor – eines fokussiert auf Thermoplaste, das andere auf Carbonfasern. Mike Blair, Executive VP Research and Innovation, sagte, eine der größten Herausforderungen/Chancen bei Thermoplasten sei ihr hoher Temperaturdelta; also die hohen Prozesstemperaturen von Thermoplasten können Koeffizienten der thermischen Ausdehnung (CTE) Probleme in Teilen verursachen, wenn sie abkühlen, besonders bei großen Teilen. Das Ziel? Polyketon-Chemie so zu modifizieren, dass Prozesstemperaturen sinken, ohne die Glasübergangstemperatur (Tg) zu beeinflussen. Das Unternehmen prüft auch Wege, die Verarbeitbarkeit und Handhabung in automatisierten Anlagen seiner Thermoplaste zu verbessern. „Unsere Standard-PEEK und PEKK Materialien funktionieren eigentlich gut“, sagte Blair. „Wir müssen sie nur anpassen, um sie anpassungsfähiger zu machen.“

Die Innovation um Carbonfasern ist ähnlich faszinierend. 2017 übernahm Solvay den Großtow-Polyacrylnitril (PAN) Hersteller European Carbon Fiber GmbH (Kelheim, Deutschland), was Solvay eine neue und gesunde PAN-Versorgung für 50K-Tow-Carbonfaser gab. Angesichts dessen wurde die Frage gestellt: Kann eine Großtow-Carbonfaser formatiert werden, um die Leistungseigenschaften einer Intermediate Modulus (IM) Kleintow-Carbonfaser zu bieten? Blair sagte, die Idee sei gedankenanregend, aber nicht trivial. Er merkte an, dass allein das Handling von 50K-Tow-Faser die Faser beschädigen kann. Ohne zu viel über Solvays Pläne zu verraten, sagte Blair, das Unternehmen arbeite an Handling-Technologie, die Faserbeschädigung vermeidet. „Ein aggressiver Zeitplan dafür wäre 18 Monate.“

Toray Advanced Composites. Der ehemalige TenCate Advanced Composites wurde nun vollständig von Toray aufgenommen und firmiert seit März als Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Kalifornien, USA). Steve Mead, Managing Director, sagt, der EVOTL sei derzeit ein besonders aktiver Bereich für das Unternehmen (Duroplaste und Thermoplaste). Er merkte an, dass „wir Material für aufstrebende EVOTL-Programme liefern“, und fügte hinzu, dass „Composites ein wahrer Enabler sind wegen des parasitären Batteriegewichts auf diesen Flugzeugen. Nicht-Composite-Materialien sind keine Option.“ Die Kombination aus Luftfahrtqualität-Fertigung bei Automobilraten sei faszinierend, sagte er.

Eviation. Unter den höher profilierten Einführungen auf der Paris Air Show war Alice, ein vollelektrisches, vollcomposites Flugzeug, vorgestellt von Eviation (Kadima-Tzoran, Israel). Alice ist ein neunsitziges Regionalverkehrsflugzeug mit einer Reichweite von 650 Meilen / 1.000 Kilometern bei einer Reisegeschwindigkeit von 240 Knoten. Das Flugzeug verfügt über einen primären Druckpropeller am Heck und zwei zusätzliche Druckpropeller an den Flügelspitzen zur Reduzierung von Widerstand und Redundanz. Omar Bar-Yohay, CEO von Eviation, stellte das Flugzeug vor und sagte, Flugtests würden in Moses Lake, Washington, USA, durchgeführt, gefolgt von US FAA-Zulassung Ende 2020 oder Anfang 2021. Der Listenpreis wird 4 Millionen Dollar betragen, und Bar-Yohay sagte, das Unternehmen sei vollständig finanziert bis zur Zulassung und früher Produktion.

Omar Bar-Yohay, CEO von Eviation, steht vor der Alice, einem vollelektrischen, vollcompositen, neunsitzigen Flugzeug, das bis 2021 auf den Markt kommen soll. Quelle | CW

Das auf der Show ausgestellte Exemplar war ein nicht flugfähiger Prototyp, der erst die Woche zuvor zusammengebaut wurde. Wo und wie dieses Flugzeug letztlich produziert wird, bleibt abzuwarten. Der Prototyp wurde aus Composite-Strukturen zusammengebaut, die von mehreren Lieferanten gefertigt wurden. Einer ist Multiplast (Vannes, Frankreich), Teil der Carboman Group SA (Vannes), einem Fünf-Unternehmens-Roll-up, das auch Decision (Ecublens, Schweiz), SNE SMM (Lanester, Frankreich), Plastinov (Samazan, Frankreich) und Plastéol (Samazan) umfasst. Multiplast, mit Historie in mariner Strukturfertigung, fertigte den Rumpf für die Alice Out-of-Autoclave (OOA) mit Sandwichstruktur und Nomex-Wabenkern. Der Rumpf wurde in zwei Hälften basierend auf einer Steuerbord/Backbord-Mittellinienkonfiguration gebaut, wobei die beiden Rumpfsektionen verklebt/verschraubt wurden (siehe Zeitraffer-Video unten). Multiplast weiß nicht, ob es den Serienfertigungsauftrag gewinnen wird, aber das Unternehmen bewertet, was aus Material- und Prozessperspektive zur Industrialisierung der Fertigung erforderlich wäre. Flügel und Bauchverkleidungen für die Alice wurden von Composite Cluster Singapore (CCS) geliefert.

Stratasys. Additive Manufacturing (AM) Maschinenspezialist Stratasys (Eden Prairie, Minnesota, USA) war auf der Paris Air Show und betonte seine Fähigkeit, AM für Teile- und Werkzeugproduktion zu nutzen. Für Composite-Fertigung lag der Fokus auf Werkzeugen. Der Stand zeigte zwei Formen, gefertigt mit Stratasys-Maschinen. Das Material ist SABICs ULTEM 1010, ein unverstärktes Polyetherimid (PEI), das für Autoklavverarbeitung geeignet ist. Die erste Form war für die Fertigung einer Carbonfaser-Flügelvorderkante und verfügt über im Werkzeug integrierte Elektroden zur Erhöhung der Prepreg-Erwärmungskapazität und Reduzierung der Aushärtzeit von 1,5 Stunden auf nur 10 Minuten. Das andere Teil war ein Laminierwerkzeug, gefertigt von Boom Aerospace (Centennial, Colorado, USA) für die Produktion kleiner Teile für das Überschall-Verkehrsflugzeug Overture, das das Unternehmen entwickelt. Scott Sevcik, VP Manufacturing Solutions bei Stratasys, sagte, Boom habe bereits zwei Stratasys-Maschinen im Einsatz, eine dritte werde später dieses Jahr geliefert. Sevcik sagte, Stratasys werde voraussichtlich noch dieses Jahr zwei neue gehackte Carbonfaser-verstärkte Materialien für AM einführen; Stratasys arbeite auch an kontinuierlicher Faserverstärkung für AM.

Dieses Laminierwerkzeug wurde von Boom Aerospace mit einem Stratasys Additive Manufacturing System gefertigt. Material ist unverstärktes ULTEM (PEI). Quelle | CW

Boom Aerospace. Eine weitere spektakuläre Ankündigung auf der Paris Air Show kam von Boom Aerospace (Englewood, Colorado, USA), das, wie erwähnt, Overture entwickelt, ein völlig neues Überschall-Passagierflugzeug. Boom CEO und Gründer Blake Scholl sagte in einer Pressekonferenz, Boom sei kurz vor Abschluss des composite-intensiven XB-1, eines Unterskalen-Prototyps des Overture, der bis Ende 2019 ausgerollt und 2020 testgeflogen werden soll. Diese Testflüge, so Scholl, seien darauf ausgelegt, Boom bei der Bewertung von Design- und Engineering-Prinzipien des Flugzeugs zu helfen und gelernte Lektionen auf finales Design und Produktion von Overture anzuwenden, das voraussichtlich Mitte der 2020er Jahre in Dienst gestellt wird. Dies ist ein längerer Zeitplan als ursprünglich von Boom erwartet. „Das ist ein ehrgeiziges Projekt“, sagte Scholl. „In den frühen Tagen ist es leicht, zu optimistisch zu sein.“

Boom Aerospace's composite-intensiver Overture wird Überschallflug bei Mach 2.2 bieten. Quelle | CW

Overture soll eine Höchstgeschwindigkeit von Mach 2,2, eine Reiseflughöhe von 60.000 Fuß (19.354 Meter) haben und Passagiere (55–75) von Sydney nach Los Angeles in nur 7 Stunden oder Washington D.C. nach London in nur 3,5 Stunden bringen. Scholl erklärte, der Ticketpreis auf Overture werde voraussichtlich wettbewerbsfähig sein, auf Sitz-Meilen-Basis mit aktuellen Flugpreisen. Scholl sagte auch, Overture werde voraussichtlich eine Technologie namens Prometheus Fuels nutzen, die atmosphärisches CO2 in Benzin oder, in Booms Fall, Kerosin umwandelt, unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen. So werde das Flugzeug netto-null-CO2-Überschallflug bieten.