Thermoplastische Verbundwerkstoffe revolutionieren kommerzielle Flugzeuge

Thermoplastische Verbundwerkstoffe (TPC) sind im Luftfahrtsektor nicht neu, aber die letzten Jahre haben einen Wendepunkt in ihrer Nutzung in kommerziellen Flugzeugen gebracht. Während TPCs bereits länger für kleinere Teile wie Clips, Halterungen oder Innenkomponenten eingesetzt werden, arbeiten sie sich inkrementell in größere Flugzeugstrukturen vor und scheinen bereit, in Zukunft eine größere Rolle in kommerziellen Flugzeugen zu spielen.

Branchenbewegungen signalisieren Wandel

Im März 2018 übernahm Toray Industries Inc. (Tokio, Japan), der weltweit größte Kohlenstofffaserhersteller, TenCate Advanced Composites (Morgan Hill, Kalifornien, USA und Nijverdal, Niederlande) für 930 Millionen Euro (TenCate firmiert nun als Toray Advanced Composites). Der Schritt zielte darauf ab, Torays Thermoplastik-Kompetenzen für die nächste Welle kommerzieller Flugzeugentwicklung zu stärken. Kurz darauf kündigten Hexcel (Stamford, Connecticut, USA) und Arkema Inc. (King of Prussia, Pennsylvania, USA) eine strategische Allianz zur Entwicklung thermoplastischer Composite-Lösungen für die Luftfahrt an, die Hexcels Kohlenstofffaser-Expertise mit Arkemas Polyetherketonketon-(PEKK)-Harzkönnen kombiniert. Im Laufe des Jahres fügten sich weitere Puzzleteile der Thermoplastik zusammen.

Im April 2018 stellte Premium Aerotec GmbH (Augsburg, Deutschland) einen Demonstrator für einen Airbus (Toulouse, Frankreich) A320-Druckschott vor, der aus Kohlenstofffaser in thermoplastischer Matrix entwickelt und gefertigt wurde. Der Demonstrator besteht aus acht geschweißten Segmenten und veranschaulicht, wie die Schweißbarkeit von Thermoplasten größere Flugzeugkomponenten ermöglichen kann. (Mehr zu Premium Aerotecs A320-Druckschott-Demonstrator).

Im August 2018 gründeten Solvay (Alpharetta, Georgia, USA), Premium Aerotec und Faurecia Clean Mobility (Columbus, Ohio, USA) IRG CosiMo (Industry Research Group: Composites for Sustainable Mobility), ein Konsortium fokussiert auf Material- und Prozesstechnologien für Hochvolumenproduktion thermoplastischer Verbundwerkstoffe für Luftfahrt und Automobil. Das Konsortium vereint Unternehmen entlang der gesamten TPC-Prozesskette von Material über Maschinen bis zu Anwendungen. (Mehr zum IRG CosiMo Konsortium).

Solvay arbeitet seit Juni 2017 mit GKN Fokker (Hoogeveen, Niederlande) an Technologieentwicklung und breiterer TPC-Einführung für große Luftfahrtstrukturen. Das Unternehmen startete PEKK-Polymerproduktion im September 2017 und verdoppelte 2018 seine qualifizierte UD-Thermoplast-Tape-Kapazität. Anfang 2019 beauftragte Solvay ein dediziertes TPC-Forschungslabor in Alpharetta, Georgia, USA, für Materialien der nächsten Generation. Solvay plant, Ende 2019 die Qualifizierung einer neuen UD-Tape-Linie zu starten.

Teijin Ltd. (Tokio, Japan) gab im Januar 2019 bekannt, dass seine TENAX Kohlenstofffaser und Kohlenstofffaser/Thermoplast-UD-Prepreg-Tape (TENAX TPUD) von Boeing (Chicago, Illinois, USA) als fortgeschrittenes Zwischenmaterial für primäre Strukturteile qualifiziert wurde (Lesen Sie die vollständige Nachricht).

Während diese und ähnliche Technologien und Materialien fortschreiten, zeichnet sich allmählich ein Bild ab, wie die Luftfahrtindustrie in den kommenden Jahren und Jahrzehnten aussehen könnte. Die Rolle von TPCs wird ein zunehmend größerer Teil dieses Bildes.

Verarbeitbarkeit von TPCs

Ein großer Grund, warum TPCs in Flugzeugprogrammen Fuß fassen, ist ihre Verarbeitbarkeit. Da Thermoplaste bereits vollständig polymerisiert sind, haben sie schnellere Produktionsraten als Duroplaste, die aushärten müssen.

„Vergleicht man die Zeit für ein Duroplast-Teil heute mit der für ein Thermoplast-Composite-Teil, ist [Thermoplast] etwa 10-mal schneller“, sagt Mike Favaloro, Präsident und CEO von CompositeTechs LLC (Amesbury, Massachusetts, USA), einer Composite-Industrie-Beratung.

Ein großer Vorteil von thermoplastischem Automatisiertem Faserlegen (AFP) im Vergleich zu duroplastischem AFP – insbesondere angesichts des fehlenden Aushärtezyklus – sind höhere Produktionsraten durch schnellere Verarbeitungszeiten. Kosteneinsparungen finden sich in In-situ-Laminierung und Out-of-Autoclave (OOA) Nachkonsolidierung. Der Wegfall des Autoklavs ermöglicht die Entwicklung größerer Strukturen.

David Leach, Business Development Director bei ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, USA), räumt ein, dass der Stückkosten von Thermoplasten die von Duroplasten übersteigen, argumentiert aber, dass TPC-Materialpreise sinken werden. Weiterhin bieten Verarbeitungseffizienzen heute schon Kostensenkungspotenzial. Der allgemeine Konsens in der Composite-Industrie ist, dass OOA-Thermoplast-Prozesse derzeit Kosteneinsparungen von mehr als 30 % gegenüber Duroplasten bieten.

„Thermoplaste finden sogar nach Produktionsstart von Flugzeugen Eingang in Programme“, stellt Leach fest. „Das ist ein Beweis für die Kostenvorteile von Thermoplasten.“

Das Potenzial hochleistungsfähiger Matrixpolymere reicht über das aktuell am Markt Verfügbare hinaus. Doug Brademeyer, Leiter Ultra-Polymers Materials bei Solvay, sagt, das Unternehmen arbeite intern und mit Partnern an maßgeschneiderten Polymeren, die für verschiedene Fertigungsprozesse angepasst sind.

„Wir sind begeistert von diesen maßgeschneiderten PAEK-Lösungen und können diese basierend auf Kundenbedürfnissen in unseren Weltmaßstab-Anlagen schnell zur Kommerzialisierung bringen“, sagt Brademeyer.

Low-Melt PAEK

Mit Flugzeug-OEMs und Zulieferern, die nach höheren Produktionsraten und kürzeren Zykluszeiten streben, ist Verarbeitbarkeit entscheidend. Polyetheretherketon (PEEK) war lange der bevorzugte thermoplastische Polymerwerkstoff, da er die größte Datenbasis hat und am weitesten qualifiziert ist. Laut Favaloro bietet Low-Melt Polyaryletherketon (LM PAEK) jedoch Vorteile, besonders für automatisierte Verarbeitungsmethoden wie ATL.

„PEEK ist via Stampformen und Continuous Molding verarbeitbar, aber LM PAEK verarbeitet bei niedrigerer Temperatur, hat eine niedrigere Verarbeitungsviskosität für bessere automatisierte Verarbeitung und einen niedrigeren Kristallisationsgrad, der Restformspannungen reduziert“, sagt er. „Das ultimative Ziel ist, eine ATL-Maschine das Band ablegen zu lassen und fertig zu sein – man braucht den richtigen Kristallisationsgrad, ein gutes Prozessfenster und gute Ablegeschwindigkeiten.“

LM PAEK hat ein breites Prozessfenster von 350–385 °C. Zum Vergleich: Polyphenylensulfid (PPS) Verarbeitungstemperaturen liegen bei 330–350 °C, Polyetherketonketon (PEKK) und PEEK bei 380 °C bzw. 400 °C.

„Das Material hat so viel Traktion wegen seiner Verarbeitbarkeit bekommen“, sagt Scott Unger, CTO bei Toray Advanced Composites. Toray Advanced Composites kollaborierte mit Victrex (Lancashire, UK) zur Herstellung von Cetex TC1225, einem UD-Tape mit LM PAEK.

„Die Absicht bei der Entwicklung von TC1225 war, ein Produkt zu schaffen, das einfach bei Temperaturen nahe PPS verarbeitet, eine günstige Kostenposition für den Endnutzer hat und die mechanischen und Flüssigkeitsbeständigkeitseigenschaften von PEEK aufweist“, sagt Unger. „Mit TC1225 LM PAEK fühle ich, dass wir all diese Ziele erreicht haben.“

Cetex TC1225 durchläuft derzeit die Qualifizierung durch das National Center for Advanced Materials Performance (NCAMP, Wichita, Kansas, USA). Zudem laufen zwei große Luftfahrt-OEM-basierte Qualifizierungen sowie einige Programme für aufstrebende Märkte wie Air Taxis und Urban Air Mobility.

Bänder mit LM PAEK liefern angeblich verbesserte Ablegeschwindigkeiten. Tim Herr, Director Aerospace SBU bei Victrex, sagt: „Die Ablegeschwindigkeiten, die wir sowohl für In-situ-AFP als auch für Out-of-Autoclave konsolidiertes AFP erreichen können, sind beispiellos.“ Er gibt an, 60 Meter pro Minute bei Ofen-konsolidierten Panels; 20 Meter pro Minute seien mit In-situ-Konsolidierung möglich.

In puncto Qualität behauptet Unger, dass Low-Melt PAEK die gleiche Laminatqualität bei In-situ-Faserablage ermöglicht wie bei einer nachträglich im Ofen konsolidierten Faserablage.

Verbundwerkstoff-Fügen

Die Schweißbarkeit von TPCs ist ein großer Vorteil für die Flugzeugentwicklung. Fusionsschweißen bietet eine Alternative zu mechanischer Befestigung und Kleben, beides Methoden zum Fügen duroplastischer Composite-Teile.

„Fügen und Schweißen spielen eine große Rolle in der Zukunft der Montage und haben das Potenzial, Kosten zu senken und die Zuverlässigkeit von Aerostrukturen zu verbessern. Unternehmen wie GKN Fokker nehmen bei der Demonstration von Schweißen eine Vorreiterrolle ein“, sagt Stephen Heinz, Produktentwicklungsdirektor bei Solvay.

„Mit Thermoplasten kann ein Orthogrid durch ‚Stoßfügen‘ des Grids an die Haut stark vereinfacht werden“, erklärt Arnt Offringa, Leiter Thermoplast-Composite-Technologieentwicklung bei GKN Fokker. „Das Grid besteht nun nur aus einfachen, flachen Preforms, die mit der Hautlaminierung co-konsolidiert werden zu einer kostengünstigen, integral versteiften Schale. Rähmen werden auf das Grid geschweißt. Diese Schweißnähte werden in Scherrichtung belastet, was es ermöglicht, alle Bolzen wegzulassen.“

Während geschweißte Thermoplast-Strukturen seit einiger Zeit in Flugzeugen eingesetzt werden, scheint die Technologie nun gut positioniert für Primärstrukturen. Mike Favaloro glaubt, dass Luftfahrtverarbeiter und OEMs Vertrauen in TPCs gewinnen, besonders in Prozesskontrolle. „In einem 10-Jahres-Horizont werden wir eine deutlich breitere Adoption sehen.“

Mehr zu Schweißtechnik in Ginger Gardiners Artikel „Welding thermoplastic composites.“

Werkzeuglose Fertigung

Eine weitere Innovation, die die TPC-Nutzung beschleunigen könnte, ist werkzeuglose Composite-Fertigung. Das Konzept, wie der Name impliziert, macht traditionelle Formen und Werkzeuge überflüssig und ersetzt sie durch Robotik.

Luftfahrtfertiger General Atomics Aeronautical Systems Inc. (GA-ASI, San Diego, Kalifornien, USA) entwickelt einen solchen Prozess für thermoplastische Composite-Strukturen. Composite Automation LLC (Cape Coral, Florida, USA), mit Mikrosam (Prilep, Mazedonien) Equipment, arbeitete mit GA-ASI an der Automatisierung. Der Prozess nutzt zwei 6-Achs-Roboter, die zusammen Thermoplast-Tape ablegen. Ein Roboter besteht aus einem Standard-UD-Tape-Placement-System mit Laserheizung für In-situ-Konsolidierung. Der zweite Roboter bietet Support, arbeitet dem automatisierten Tape-Layer (ATL) gegenüber und liefert eine bewegliche Werkzeugoberfläche, gegen die das ATL das Tape legt. (Mehr dazu: „General Atomics Aeronautical developing tool-less thermoplastics composites process.“)

Recyclingfähigkeit

Ein weiterer TPC-Vorteil ist Recyclingfähigkeit. Da Thermoplast-Polymere aufgeschmolzen und umgeformt werden können, betrachten mehrere Unternehmen TPCs als Weg zur Materialwiederverwendung.

Die Kollaboration umfasst mehrere Industriepartner entlang der Wertschöpfungskette: Material, Fertigung, Design und Anwendung, einschließlich GKN Fokker, Toray Advanced Composites, Cato Composite Innovations (Rheden, Niederlande), Dutch Thermoplastic Components (Almere, Niederlande) und Nido RecyclingTechniek (Nijverdal, Niederlande).

Das richtige Material für den richtigen Job

Angesichts der Begeisterung für diese Materialien stellt sich die Frage: Sind TPCs angekommen? Tier-1- und Tier-2-Luftfahrtzulieferer investieren in Thermoplaste. Es gibt mehr Interesse und Investment von kleinen und mittleren Zulieferern. Konsortien wie IRG CosiMo betrachten sowohl Luftfahrt- als auch Automobilmärkte, um Prozesstechnologien für Hochvolumenproduktion voranzutreiben.

„Es ist das Trifecta“, sagt Mead. „OEMs investieren, Maschinenbauer investieren, das richtige Material wurde entwickelt. Alle Zutaten des Rezepts kommen zusammen.“

In größerem Maßstab: Was bedeutet das für Materialnutzung in Flugzeugen der nächsten Generation? Es konkurrieren zahlreiche Materialien um einen Platz im Flugzeug der Zukunft, und Innovation verlangsamt sich nicht – Duroplast-Verbundwerkstoffe entwickeln sich weiter; Aluminium und Titan werden weiterhin eine Rolle spielen.

„Wenn Luftfahrtkonstrukteure eine Qualifizierungsbasis mit Thermoplasten entwickeln, haben sie jetzt eine Wahl“, sagt Unger. „Und diese Wahl basiert auf der Auswahl des richtigen Materials für eine gegebene Anwendung, das die Produktionsrate und Kostenanforderungen für das betreffende Bauteil oder die Struktur erfüllt. Wenn man die kommerzielle Luftfahrt vorwärts betrachtet, wird man sehen, dass Luftfahrtkonstrukteure das richtige Material für den richtigen Job einsetzen. Wenn ein Material die am besten geeignete Struktur für die geringsten Kosten ermöglicht und die Programm-Bau-Raten-Anforderungen erfüllt, wird es seinen Weg ins Flugzeug finden.“

Mit der kommerziellen Luftfahrt, die sich in den nächsten 20 Jahren voraussichtlich verdoppeln wird, erfordert die Deckung der Nachfrage nach Passagier- und Frachtflugzeugen neue Technologien und beispiellose Fertigungsraten.

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