High-Pressure RTM: Effiziente, kosteneffektive Produktion von CFRP-Luftfahrtstrukturen

Als Harzinjektion (RTM) vor ungefähr einem Jahrzehnt in High-Pressure RTM (HP-RTM) überging, wurde dies hauptsächlich für Automobilanwendungen gelobt, da sich Composite-Bauteilzykluszeiten von Stunden auf unter 2 Minuten reduzierten. Weniger wurde über die Anwendung dieser Technologie auf Luftfahrtteile gesagt. Die Luftfahrtindustrie hat eine lange Geschichte mit konventionellem RTM, einschließlich der Produktion von Tausenden Carbonfaser-verstärkten Kunststoff (CFRP) Lüfterschaufeln und Containment-Gehäusen für kommerzielle Flugzeugtriebwerke. Airbus hat sogar einen 7 Meter langen, einteiligen Composite-Mehrfachholm-Flügel für den Airbus A320 mit RTM prototypisiert. Aber ist es möglich, diese Erfahrung mit stundenlangen Prozessen in vollautomatisiertes Formen von Composite-Flugzeugteilen in Minuten zu überführen? Mehrere Schlüsselakteure sagen, es ist möglich.

Traditionelles RTM, hier als LP-RTM zur Klarheit bezeichnet, nutzt typischerweise Injektionsdrücke von 10–20 bar. HP-RTM hingegen verwendet Injektionsdrücke von 30–120 bar.

„Wir begannen vor 10 Jahren mit Luftfahrt-RTM-Verarbeitung über ein EU-gefördertes Projekt zur Fertigung von Rumpfspanten“, sagt Bernhard Rittenschober, Leiter Forschung und Entwicklung bei Alpex Technologies (Mils, Österreich), einem Lieferanten innovativer Werkzeugsysteme für serielle Composite-Teileproduktion. „Damals war die Prognose, dass viele Teile für den [Airbus] A350 mit RTM gefertigt würden, aber das materialisierte sich nicht.“ Alpex arbeitete jedoch weiter an der Technologie und begann als Zulieferer sowohl für Automobil- als auch Luftfahrtindustrie zu prüfen, wie die Prozesse dieser beiden Branchen zusammengeführt werden könnten. „Die Idee war, das [Hexcel] RTM6 Epoxidharz, das in der Luftfahrt qualifiziert ist, mit automobilen Werkzeug-Best-Practices und einem automatisierten Injektionssystem für niedrigere Zykluszeiten zu nutzen“, erklärt Rittenschober.

Das Ergebnis war ein Forschungsprogramm 2013–2015 namens TAKE OFF, gefördert von der österreichischen Regierung, an dem Alpex mit Partnern Airbus Helicopters (Donauwörth, Deutschland), Anlagenlieferant KraussMaffei (München, Deutschland), Prüfspezialist Aerospace and Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Österreich) und Harzlieferant Hexcel (Stamford, Connecticut, USA) teilnahm. Das Programm demonstrierte, dass HP-RTM zu einer 30-prozentigen Kostensenkung für einen A350 Türrahmen und signifikanter Technologieentwicklung führte, einschließlich Einsatz eines Zwei-Komponenten (2K) Harzsystems, intelligenter Injektion und Aushärtungsüberwachung via In-Mold-Sensoren und der Fähigkeit, die Teilezykluszeit weiter zu reduzieren. Alpex hat die Entwicklung fortgesetzt und sieht Potenzial für diese HP-RTM-Technologie, aktuelle CFRP-Produktionsprobleme zu überwinden.

Diese Sicht stützt das Composites Technology Center (CTC), eine Tochtergesellschaft von Airbus Operations GmbH, das seit einem Jahrzehnt automatisiertes RTM entwickelt, zuerst mit LP-RTM und vor etwa fünf Jahren übergehend zu HP-RTM. (CompositesWorld bemerkte CTCs KraussMaffei HP-RTM-Maschine und Entwicklungsarbeit während einer 2016er Werksführung.) „HP-RTM löst den Flaschenhals von Injektion und Aushärtung durch sein Hochgeschwindigkeitsmischen, was den Einsatz hochreaktiver Harze ermöglicht“, erklärt Jan Schiller, CTC Projektleiter für Produktionssysteme und Hauptansprechpartner für RTM-Technologien. „Wir haben einen Prozess entwickelt, der etwas komplexe Geometrie-Teile von 1–2 Metern Größe, die Luftfahrtanforderungen erfüllen (z. B. 60 % FaserVolumen und weniger als 2 % Poren), in einer Zykluszeit von 20 Minuten produziert.“ Er fügt hinzu, dass nach Besuchen und Diskussionen mit Airbus-Zulieferern letztes Jahr eine Reihe von Teilen für den Übergang zu HP-RTM identifiziert wurden, was höhere Ratenproduktion für den A320 ermöglicht. „Wir entwickeln jetzt spezifische Prozesse dafür und arbeiten dieses Jahr daran, sie in die Serienproduktion zu überführen.“

HP-RTM A350 Türrahmen

Alpex' Entwicklung wurde durch das österreichische TAKE OFF Programm via Projekt SPARTA abgeschlossen. „Airbus Helicopters wählte das Teil“, erinnert sich Rittenschober. „Dieser Türrahmen ist das, was man sieht, wenn man in einen A350 mit geöffneter Tür einsteigt. Er ist etwa 2 Meter hoch, 200–250 mm breit und 8–10 mm dick, mit komplexer Form und Designmerkmalen, um den verschiedenen Anforderungen der montierten Tür gerecht zu werden, die Primärstruktur ist.“ Der A350 Tür besteht aus 14 Teilen, gefertigt von Airbus Helicopters in Donauwörth, Deutschland, mit LP-RTM. Der für SPARTA gewählte Rahmen ist eines der anspruchsvolleren Teile der Tür. „Es ist ein gutes Demonstrationsbauteil, weil wir HP-RTM direkt mit standardmäßigem Luftfahrt-LP-RTM vergleichen können“, fügt Rittenschober hinzu.

Alpex entwarf und baute das LP-RTM-Werkzeug, das aktuell für A350 Türrahmenproduktion bei Airbus Helicopters genutzt wird. Für Design und Bau des HP-RTM-Werkzeugs würde es einen mehr automobilen Mindset anwenden. „Unser Ziel war es, automobilartige Automatisierung in der Luftfahrt-Composite-Teileproduktion zu ermöglichen“, sagt Rittenschober. „Das ist notwendig, wenn Airbus einen zukünftigen A320 mit mehr Composite-Teilen und einer Rate von 60 bis 100 Flugzeugen pro Monat bauen will.“

Er fährt fort: „Wir kamen von der Produktion von Formen für BMW, die aktiv versuchte, Teile und Prozesse zu vereinfachen, um Zykluszeiten zu reduzieren, während Airbus aus vorheriger Luftfahrtkomplexität kam. Zum Beispiel fragten Airbus Helicopters beim Start, wie viele Teile dieses Werkzeug haben wird.“ Beachte, die aktuelle LP-RTM Türproduktion umfasste komplexe Mehrteileswerkzeuge. „Wir erklärten, dass das HP-RTM-Werkzeug nur einen oberen und einen unteren Formteil haben wird“, sagt Rittenschober.

So begann Alpex mit einem einfachen Werkzeugdesign und fügte dann Features hinzu, um die Verarbeitung robuster und flexibler zu machen – beispielsweise Dichtungssysteme, die in der automobilen Hochvolumenproduktion verwendet werden. „Außerdem haben wir alle Sensoren in das Werkzeug integriert“, merkt er an.

Preforms und Prozess

Die aktuell für den A350 Türrahmen verwendeten Preforms nutzen Gewebe und erfordern mehrere Entbauschschritte, was zu einem dreitägigen Produktionszyklus führt. „Wir entschieden uns für Non-Crimp Fabric (NCF)“, sagt Rittenschober. „Das senkt Preis und Zykluszeit signifikant. Wir demonstrierten auch einige Teile mit den Hexcel-qualifizierten Gewebe-Preforms, aber wir sehen einen Wechsel in der Composite-Industrie außerhalb der Luftfahrt, mit Entwicklung durch SGL und andere weg von Geweben hin zu Bändern und kostengünstigeren Formen wie NCFs.“

Auf die Frage nach Injektionspunkten und möglichen Faserauswaschproblemen erklärt Rittenschober, das HP-RTM-Werkzeug habe nur einen Injektionspunkt, aber es gebe kein Faserauswaschen, weil der Preform so geklemmt wird, dass er im Werkzeug fixiert und sehr stabil ist.

Ein weiterer Schlüsselpunkt ist, dass Alpex ein Zwei-Komponenten (2K) Harzsystem statt des Einkomponenten-RTM6 wählte, der derzeit von Airbus Helicopters verwendet wird. Rittenschober behauptet, das 2K-System kann reaktiver sein, was besser zu HP-RTM passt, und könnte Kosten sparen, da es nicht vorgemischt ist und keine Gefahrgutversendung erfordert. Es erfordert jedoch eine höhere Temperatur von 180 °C. „Das war der herausforderndste Teil für uns“, sagt Rittenschober, „weil wir eher an Verarbeitung bei 120 °C gewöhnt waren.“

KraussMaffei installierte in seinem Lightweight Tech Center in München, Deutschland, das fertige Werkzeug in sein RimStar Compact HP-RTM-System mit automatisiertem, hochoffizientem (bis 80 bar / 1.100 psi) Mischen, Dosieren und Injizieren. Es fertigte dann 20 Demonstratorteile. Rittenschober beschreibt den Basisprozess: Injizieren bei 80 °C, Aufheizen auf 120 °C, Halten für eine Stunde, Aufheizen auf 180 °C und Halten für 90-minütige Aushärtung, Abkühlen (2 °C/min) und Entformen. „Die Injektion dauert nur 20 Sekunden“, sagt er, „aber der gesamte Formzyklus beträgt etwa vier Stunden.“

Zykluszeit und Kosten

Der noch lange Aushärtzyklus für den SPARTA Türrahmen wird durch die Hexcel RTM6 Harzformulierung und -verarbeitung getrieben, die von Airbus qualifiziert ist. „Wir konnten Aushärtzyklen von 30 Minuten bei 180 °C mit zusätzlicher Nachhärtung unter Vakuum erreichen, um thermische Spannungen abzubauen und mechanische Eigenschaften zu sichern“, merkt Rittenschober an, und fügt hinzu, dass die Eigenschaften recht gut und vergleichbar mit dem LP-RTM-Teil waren.

„Wir zeigten, dass man den Prozess nutzen und die Produktion für höhere Stückzahlen automatisieren kann“, sagt Rittenschober. „Man kann im Werkzeug injizieren und aushärten und dann außerhalb der Presse nachhärten.“ Er räumt ein, dass dies zusätzliche Werkzeugsätze erfordert, aber nur eine einzige Presse und Injektionseinheit. „Mit diesem System können Sie die Teilkosten um 700 € senken, was es ermöglicht, die Ausrüstung bei einer Produktionsrate von 500 bis 1.000 Teilen/Jahr leicht zu amortisieren, was noch nicht einmal ein sehr hohes Volumen ist.“

CTC Prozessentwicklung und Demonstratoren

Abgesehen von Werkzeug und Prozess beinhaltete das HP-RTM Türprojekt auch innovative Nutzung von Faserformat. „Wir begannen mit bereits von Airbus qualifizierten Gewebetextilien und waren sehr erfolgreich“, erinnert sich Schiller. „Dann fuhren wir mit NCF und innovativeren Textilien fort.“ Letztere umfassten trockene Faserablage und Interleaving mit Spread-Tow-Lagen für erhöhte Zähigkeit, doch letztere stellten Probleme mit dichter Packung von Fasern und Lagen dar, was schlechte Permeabilität und behinderte Harzinfiltration verursachte. „Es gibt auch Entwicklungen, um dies zu adressieren, wie NCF mit speziellen Fasern zur Verbesserung der Permeabilität“, fügt er hinzu.

Bezüglich Drücken für HP-RTM betont Schiller, dass die Entscheidung für den Prozess mehr durch Mischtechnologie aus der Polyurethan-Industrie getrieben wurde als durch hohe Prozessdrücke. „Wir nutzen HP-RTM nur, um eine gute Mischung hochreaktiver Harze zu erreichen“, erklärt er. „Es mag etwas höheren Druck im Werkzeug geben, aber das ist ein sekundärer Effekt schneller Injektion. Für Automobilteile mit 2-Minuten-Zykluszeiten müssen sie den trockenen Preform viel schneller mit Harz infiltrieren als wir. Unsere 15-minütige Aushärtzeit lässt mehr Zeit für Harzinfiltration, was auch den Druck im Werkzeug senkt.“

Presskraft hängt derweil von Teilgröße ab. „Teile bis 2 Meter Größe funktionieren gut (ca. 1.500 Tonnen), aber Teile von 4–6 Metern erfordern Business-Case-Berechnung, weil die Pressinvestition sehr hoch wird“, sagt Schiller. CTC zeigte einen 1,5 mal 0,5 Meter CFRP-Rippen, der jede mögliche Luftfahrtprimärstruktur repräsentiert, auf der JEC World 2018. Es wird auch Ende 2019 eine höher tonnierte Presse erhalten.

2K Harze und sensorbasierte QA

Schiller beobachtet, dass alle bisherigen RTM-Luftfahrtstrukturen nur 1K-Systeme nutzten, die vom Lieferanten gemischt wurden, der dann die Mischung zertifizierte und die Haftung für die Einhaltung der Qualifikationsanforderungen trug. „Jetzt erwägen wir 2K-Systeme, aber die Herausforderung ist, die Mischqualität sicherzustellen“, erklärt er. Vormischende 1K-Systeme erfordern Kühlversand und -lagerung, um Reaktion vor Teileverarbeitung zu verhindern. Vorteile von 2K-Systemen sind daher Eliminierung dieser Kosten sowie höhere Reaktivität für schnellere Verarbeitung. Ein Problem jedoch ist, dass Quality Assurance (QA) vom Harzlieferant auf den Teilehersteller übergeht. „Diese QA erfordert Detektion des Mischverhältnisses und der gemischten Harzqualität. Beides wird für Airbus-Qualifikation eines neuen Materials benötigt. Das bedeutet Messungen der beiden Komponenten kurz vor dem Mischen und des Harzes nach dem Mischen. Heute haben wir nur Sensoren vor dem Mischkopf, die anzeigen, wie viel Harz und Härter in den Mischer dosiert werden. Das reicht nicht für die Qualifikation.“

Alpex arbeitet derweil an der Entwicklung eines Inline-Qualitätssystems, um die Verifikation von 100 % ordnungsgemäß gemischtem Harz zu liefern, die Airbus verlangt. „Wir arbeiten von Beginn an mit Netzsch In-Mold-Sensoren“, merkt Rittenschober an. „Jetzt, da Netzsch mit Kistler (Winterthur, Schweiz) partnerschaftlich verbunden ist, ist neue Technologie verfügbar. Wir können Temperatur, Druck und Harzaushärtung von einem einzigen Sensor überwachen, den wir in das Werkzeug integrieren.“

„Alpex sagt, In-Mold-Sensoren nutzen, und die Misch-/Injektionsanlagenlieferanten sagen, die Sensoren sollten in ihren Systemen sein“, sagt Schiller. „Beide haben recht.“ Aber er merkt an, dass es auch Verbesserungsbedarf bei Letzteren gibt. „In der automobilen HP-RTM wird das Harzmischverhältnis über den gesamten Prozess gemessen, also ein Durchschnitt. Ich brauche diese Messung jedoch an jedem diskreten Punkt während des Prozesses, damit ich weiß, dass das Mischverhältnis immer korrekt ist, selbst für die letzte halbe Sekunde während der Injektion. Wir brauchen bessere Zeitauflösung in den Messsystemen.“ Schiller schlägt vor, Sensoren werden wahrscheinlich vor dem Mischkopf, im Mischkopf und im Werkzeug benötigt. „Wir arbeiten an dieser QA-Entwicklung parallel zur Evaluierung von 2K-Harzen in Luftfahrtanwendungen und zusammen mit den Maschinenlieferanten haben wir Sensorsysteme identifiziert, die ausreichende Auflösung versprechen. Sie werden innerhalb dieses Jahres validiert.“

Alpex testet auch einen neuen hybriden multifunktionalen piezoelektrischen Sensor, entwickelt von Aerospace & Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Österreich). Auf dem RTM-Werkzeug platziert, fungiert er als Drucksensor zur Überwachung der Harzflussfront im Werkzeug. Sobald der Preform vom Harz imprägniert ist und die Aushärtung beginnt, wird die Änderung des Impedanzspektrums vom Sensor genutzt, um den Aushärtegrad zu bestimmen. Nach Abschluss der Aushärtung werden die piezoelektrischen Sensoren auf der Bauteiloberfläche ko-kuriert, um für Structural Health Monitoring entweder im passiven Modus als Akustikemissionssensoren oder im aktiven Modus mit geführten Ultraschallwellen genutzt zu werden. Sie wurden für die Überwachung von Impact und Schaden an fertigen Teilen demonstriert.

Bitte beachten Sie, dass diese Prozessdaten von Industry 4.0 intelligenten Produktionssystemen analysiert werden können, um Wege für weitere Verbesserungen in Qualität und Effizienz zu identifizieren. Diese Prozessdaten können auch für den Digital Twin jedes Teils protokolliert werden.

Zukünftiges Potenzial

Rittenschober sagt, das einzige echte Hindernis für die HP-RTM-Technologie sei die Zertifizierung: „Wir demonstrieren mit Airbus Helicopters, dass dieser Prozess funktionieren kann, aber jemand muss ihn zertifizieren.“ Schiller stimmt zu, dass es immer eine Hürde ist, den Ersten zu finden, aber er hat auch Business Cases für viele Teile im letzten Jahr berechnet. „Für 200 Teile pro Jahr lohnt es sich nicht. Für Teile am A320 wird es jedoch attraktiv. Jeden Monat sehen wir ein höheres Zielrate für das A320-Programm. Viele dieser Teile wurden in den 1980ern entwickelt und werden manuell produziert, sie könnten mit HP-RTM viel effizienter gemacht werden.“

Mit CTC-demonstrierten Teilezykluszeiten von 20 Minuten könnte HP-RTM auch für den Elektro-Vertikalstart- und Landemarkt (eVTOL) attraktiv sein, wo Produktionsvolumen von 5.000 Flugzeugen pro Jahr als Obergrenze von Air-Taxi-Hersteller Uber vorgeschlagen wurde.

Alpex wird die Entwicklung einer Reihe von RTM-Fortschritten fortsetzen, sagt Rittenschober. „Wir glauben, HP-RTM hat reales Potenzial, einige der Probleme mit kosteneffektiverer, industrialisierter Produktion von CFRP-Aerostrukturen zu lösen.“ Schiller stimmt zu und merkt an, dass für viele der angestrebten A320-Anwendungen zahlreiche CFRP-Teile pro Shipset anfallen. „Daher beginnt sich der Nutzen eines effizienteren Prozesses zu akkumulieren. Wenn wir die erste Anwendung in Produktion bekommen, werden weitere folgen.“

Die nächste Generation der
Luftfahrtfertigung

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