Wie Carbonfaser die Zukunft von Lufttaxi-eVTOLs beschleunigt

Dieser Blogbeitrag reagiert auf einen Januar-2019-Artikel im WIRED-Magazin, der behauptet, die Carbonfaser-Composite-Produktion halte die Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EV)/Vertikalstart- und Landeflugzeugen (VTOL) für urbane Mobilität und Lufttaxis zurück. Ich werde dies widerlegen, aber auch potenziell disruptive neue Technologie vorstellen – also lesen Sie bis zum Ende.

Obwohl ich den Autor für die Berichterstattung über diese rasant wachsende Branche und den Hinweis auf Design for Manufacturing loben muss, ist er an manchen Stellen irreführend, wahrscheinlich weil er nicht gut in der Composites-Branche bewandert ist. Zum Beispiel:

Zwar ist das technisch richtig, aber Airbus rampet bis Mitte 2019 auf 60 A320/Monat hoch und Boeing auf 57 B737/Monat, ebenfalls 2019. Für den A320 bedeutet das die Produktion von drei 6,3 m hohen CFK-Höhenleitwerksbaugruppen pro Tag und auch drei 12,45 m Spannweite CFK-Seitenleitwerksbaugruppen pro Tag.

Zudem hat Airbus Technologie um Technologie qualifiziert – viele mit Composites, alle ausgerichtet auf 60–70 Flugzeuge/Monat – für die nächste A320-Iteration, das A320 Neo Plus. Diese Composites-Technologien umfassen ein Portfolio aus Resin Transfer Molding (RTM), Pressformen von Sheet Molding Compound (SMC) und thermoplastischen Composites (TPC) mit Zykluszeiten, die problemlos 700+ Flugzeuge/Jahr ermöglichen. Neueste Entwicklungen senken CFK-Bauteilzykluszeiten von 4 Stunden auf 15 Minuten oder weniger. Die meisten neu qualifizierten Technologien sind stark automatisiert, ebenso die neuen Montagemethoden.

Auch die Automobilindustrie hat den Weg zu höherer Massenproduktion geebnet, als eVTOLs benötigen werden (WIRED zitierte prognostizierte Nachfrage von 23.000 Fahrzeugen bis 2035). BMW steigert die Produktion seiner i3- und i8-Modelle – beide mit Voll-CFK-Fahrgastzellen – von 130 auf 200 Einheiten/Tag, und Audi-Lieferant Voith Composites fertigt die CFK-Heckwand für den A8 mit 150–300 Einheiten/Tag. Beachten Sie, dass die BMW i3/i8-Module dem Luftfahrzeugrahmen des Airbus Helicopters EC 135 sehr ähnlich sind – beide Hersteller montieren dann Außenhaut und Innenausbau auf diesen Rahmen.

Die Audi A8 Heckwand wird mit 5-Minuten-Zykluszeit im RTM mit automatisierter Ablage von trockenem Carbonfaserband gefertigt, maßgeschneidert in Länge und Faserorientierung für spezifische Lasten, variierend von 6 Lagen (1,5 mm) Basis bis 19 Lagen (3,7 mm) bei lokaler Verstärkung für hohe Punktlasten. Dieses Einzelbauteil liefert 33 % der Torsionssteifigkeit der Antriebszelle bei 50 % Gewicht gegenüber einer Baugruppe aus drei bis fünf geschweißten Aluminiumteilen.

Thermoplaste

Doch diese Beispiele nutzen noch nicht einmal Thermoplast-Technologie, die als Wahl für Boeings neues Mittelstreckenflugzeug (NMA) favorisiert wird, das vor Q2 2019 angekündigt werden soll. Thermoplastbauteile fliegen seit den 1990ern in Flugzeugen, während die Entwicklung weiterging, mit Airbus und europäischen Tier-1-Zulieferern, die immer größere Flügel- und Rumpfsektionen (mit integrierten Steifen) prototypisierten, bis hin zu vollformatigen Rumpfdemonstratoren in diesem Jahr. Beachten Sie, dass Thermoplast-Composites auch Schweißen ermöglichen, was weitere Möglichkeiten bietet, Nieten und Kleben zu eliminieren.

Die Lieferkette für TPC-Materialien und -Verarbeitung hat sich in den letzten drei Jahren schnell konsolidiert, alle großen Carbonfaserlieferanten produzieren nun Thermoplastbänder und niedrige Zykluszeiten bei umspritzen Teilen, demonstriert von mehreren Firmen für Luftfahrt und Auto. Thermoplastschweißen wurde ebenfalls von mehreren Unternehmen demonstriert.

Auszug aus „Overmolding als Enabler für Composites, Luftfahrt bis Auto“, Interview mit Scott King bei Composite-Fertiger CCP Gransden:

Neueste Technologie

Doch die Technologie hat sich seit 2014 weiterentwickelt und umfasst nun mehrere interessante Entwicklungen:

Thermoplast-umspritzte Duroplaste

Das OPTO-Light-Projekt am AZL Aachen demonstrierte umspritze Thermoplast-Composite (TPC) Rippen und Clips auf ein Carbonfaser/Epoxid-Composite-Bauteil.

Overmolding + UD Lasttragende Profile

Das MAI Skelett-Projekt demonstrierte umspritze TPC-Profile in einem Zweischritt-, 75-Sekunden-Prozess zur Herstellung eines strukturellen Dachträgers/Windefensterrahmens, der alle BMW i3-Teilanforderungen übertrifft, während Befestigungen und Clips integriert werden und das Crashverhalten von spröde auf duktil umschaltet für erhöhte Restfestigkeit der BIW.

Projektpartner SGL Carbon liefert nun Carbonfaser mit passender Beschichtung für Single-Matrix-Lösungen mit PP- oder PA6-Familie, einschließlich Profile, Organoblech und Overmolding-Compound sowie Design- und Prozessexpertise für Bauteilentwicklung über ihr Lightweight Applications Center (LAC, Meitingen, Deutschland).

Zurück zum WIRED-Artikel und seinen uninformierten Behauptungen:

Es stimmt, dass diese CFK-Produktionsmethode seit vielen Jahren genutzt wird, aber es stimmt auch, dass sowohl Luftfahrt- als auch Automobilhersteller bereits auf automatisiertere, nahezu abfallfreie Materialien und Prozesse sowie Thermoplaste mit bewiesenen Vorteilen bei Eliminierung von Nieten, Recyclingfähigkeit/Rezyklatgehalt und Reparierbarkeit umgestiegen sind.

Am Ende widerspricht der WIRED-Autor seiner ganzen These, weil eVTOL-Pionier ICON plant, nicht nur mit seinem CFK-Luftfahrzeugrahmen voranzuschreiten, sondern auch Teile für größere Flugzeuge zu fertigen. Carbonfaser wird eVTOLs also nicht am Boden halten, sondern spielt bereits eine Schlüsselrolle bei Unternehmen, die cleveres Engineering für eine breite Palette zukünftiger Fahrzeuge vorantreiben – sowohl in der Luft als auch auf der Straße. Der Einsatz neuester Technologie ist sinnvoll, da all diese neuen Fahrzeuge ohnehin zertifiziert werden müssen.

Ein Schlüsselpunkt wurde im Artikel von BetaTechnologies CEO Kyle Clark gemacht:

Blue Force Technologies CEO Scott Bledsoe betonte ebenfalls die Wichtigkeit, Aerodynamik, Antrieb, Styling, Strukturen und Fertigung Teams, jeweils mit einem gleichen Sitz am Tisch, bei jedem Design- und Entwicklungsschritt einzubinden.

Aber vielleicht das Wichtigste: Auf dem Laufenden bleiben, wohin sich Composites-Fertigung bewegt, und Verbindung zu den vielen Material-, Anlagen- und Technologielieferanten halten, die ihre Expertise teilen und bei der Entwicklung zukünftiger Anwendungen helfen wollen. Wenden Sie sich an CompositesWorld, denn das tun wir – technische, verlässliche Verbindungen und Informationen bereitstellen.