Pioniernische Nische: Van Horn Aviations Innovation in der Verbundstoff-Luftfahrt

Wie viele Unternehmen, die Verbundstoffteile und -strukturen fertigen, kam Van Horn Aviation (VHA, Tempe, AZ, USA) mit wenig Erfahrung und Wissen zum Material, aber mit dem angeborenen Wunsch, Kunden Probleme zu lösen, der Bereitschaft zu lernen und dem Wunsch, das Unternehmen voranzubringen. Ironischerweise begann es für Van Horn Aviation mit einem Propeller – oder genauer: einem Rotorblatt.

Jim Van Horn gründete das Unternehmen 2000 in Tempe, und sein Geschäftsplan war simpel: Ersetzen von metallischen Rotorblättern (Heck- und Hauptrotor) für Hubschrauber, die noch im Dienst sind, aber nicht mehr hergestellt werden. Das schien eine gute Idee. Bells (Ft. Worth, TX, USA) UH-1 Huey, einer der meistverkauften Hubschrauber der Welt, war nicht mehr in Produktion, aber es waren noch tausende Einheiten im Dienst. VHA betrachtete das Heckrotorblatt dieses Flugzeugs und sah eine lukrative Gelegenheit, nicht nur einen Ersatz zu entwerfen, sondern einen besseren Ersatz. Je mehr Zeit VHA jedoch in das Rotorblattdesign investierte, desto offensichtlicher wurde, dass ein wirklich optimales Blattdesign den Einsatz von Verbundwerkstoffen erforderte.

Es gab nur ein Problem, sagt VHA-Präsident Dean Rosenlof, der kurz nach der Eröffnung vor 18 Jahren zum Unternehmen stieß: „Wir hatten null Erfahrung in Verbundstoffen. Um unser Schicksal zu kontrollieren, wussten wir, dass wir diese Fähigkeit intern aufbauen mussten. Wir waren für das Design verantwortlich; wir müssen verantwortungsvoll genug sein, es herzustellen.“

Wie verwandelt sich ein Designbüro in einen Verbundstoffhersteller ohne Fertigungshintergrund? „Alles drehte sich um Materialbeschaffung und Lieferanten“, merkt Rosenlof an. Tatsächlich verließ sich VHA auf einige bekannte Verbundstofflieferanten, um die Verbundstoffkompetenz aufzubauen: Toray Composite Materials America Inc. (Tacoma, WA, USA), Evonik Foams Inc. (Theodore, AL, USA) und 3M (St. Paul, MN, USA) Klebstoffe. Letztlich, so Rosenlof, musste VHA Verbundstoffe selbst herausfinden und baute seine Expertise schrittweise auf.

VHA, so Rosenlof, habe mehr als ein Jahrzehnt damit verbracht, seine Verbundstofffähigkeiten zu perfektionieren. Dabei habe es einen Ruf für das Design und die Fertigung hochwertiger, leistungsstarker, effizienter Rotorblätter aufgebaut, die OEM-Spezifikationen übertreffen. Als Ergebnis ist VHA ein Bell-zertifizierter Lieferant von Ersatzblättern – ein Segen des Hubschrauberherstellers, der streng gehütet und begehrt ist. Heute hat VHA drei etablierte Produkte: das Hauptrotorblatt für den Bell 206B3 Jet Ranger, das Heckrotorblatt für den Bell 206B3/OH-58 Jet Ranger und das legacy UH-1 Huey Heckrotorblatt.

Auf der Produktionsfläche

Nach einer Überprüfung von VHAs Geschäftsstrategie und Position führt Rosenlof CW auf die Produktionsfläche, wo die meisten der 28 Mitarbeiter des Unternehmens arbeiten. Unterwegs weist er auf einige Designingenieure hin, die VHAs „Geheimrezept“ darstellen. Er merkt an, dass VHA besonders gut darin geworden sei, eine Vielzahl von Designparametern zu optimieren, die seine Produkte auszeichnen. Dazu gehören Auftriebs- und Widerstandsbeiwert, der Nickmoment und Vibration.

Hubschrauberpiloten, erklärt Rosenlof, sind hochsensibel für das „Gefühl“, das ein Rotorblatt dem Betrieb und Flug des Hubschraubers vermittelt, daher verbringt VHA viel Zeit mit Flugtests, um die Leistung zu verifizieren.

„Rotierende Blätter sind ein Spannungsfeld – zentrifugal“, stellt er fest. „Und ein Verbundstoff verhält sich in diesem Feld anders als ein metallisches Blatt.“ Tatsächlich sind Hubschrauberrotorblätter eine der wenigen Verbundstoffstrukturen der Welt, die an Vorteil verlieren, wenn sie an Gewicht verlieren. Rosenlof nennt es das „Gewichts-Bogey“, was bedeutet, dass ein Rotorblatt, das nicht schwer genug ist, sich anders verhält als die Ganzmetall-Alternative. Deshalb, so Rosenlof, sind alle VHAs Blätter überdimensioniert, um Gewicht zurück ins System zu bringen.

Darüber hinaus sagt er: „Leute in der Luftfahrt hassen Veränderung“, was bedeutet, dass ein Wechsel von einem metallischen zu einem Verbundstoff-Rotorblatt idealerweise die Leistungsmerkmale bewahren sollte, an die der Pilot gewöhnt ist. Es ist ein delikater Balanceakt, den VHA meisterhaft bewältigt. Die Quintessenz jedoch ist Sicherheit, und in dieser Hinsicht hat das Unternehmen exzelliert. „Fehler während Test und Entwicklung helfen uns, bessere Blätter zu redesignen“, sagt Rosenlof. „Wir sind gut darin. Wenn wir auf den Markt gehen, dürfen wir zuerst Flugzeug und Besatzung nicht schaden, dann auf Leistungsverbesserungen schauen. Das ist unser Job.“

Die Tour verlässt die Ingenieure und betritt den Rotorblatt-Produktionsbereich. Wie in vielen Verbundstoffwerkstätten beginnt die Fertigung bei VHA mit dem Lagenzuschnitt, der auf einem 3 m langen automatisierten Flachbettschneidsystem von Eastman Machine (Buffalo, NY, USA) erfolgt. Das meiste von VHA verwendete Prepreg ist die unidirektionale Version von Torayca 2510, basierend auf Torays T700G 12K Tow Kohlenstofffaser. Für die äußere Lage seiner Rotorblätter nutzt VHA die Plain-Weave-Version von Torayca 2510, basierend auf Torays T700S 12K Tow Kohlenstofffaser. Rosenlof sagt, VHA habe gute Erfahrungen mit dem 2510 Prepreg gemacht, das in oder außerhalb des Autoklavs verarbeitet werden kann, als Standardware von Toray ab Lager lieferbar ist und leicht vom Faserhersteller verfügbar ist.

Lagen, wie sie vom Tisch kommen, werden gekittet und für das Laminieren vorbereitet, der nächste Schritt, der in einem angrenzenden Reinraum durchgeführt wird. Alle VHA-Rotorblätter weisen einen Sandwich-Aufbau auf, bestehend aus Evonik Rohacell Schaumkern, umhüllt von den Torayca UD-Lagen. VHA bearbeitete die Kerne zunächst intern, vergab dies aber später an Evonik, das die Arbeit in seiner Anlage in Mobile, AL, USA durchführt.

Das Laminieren erfolgt von Hand. Die Hauptrotorblätter werden in einer großen Verbundstoffform im Raumzentrum laminiert. Die Heckrotorblätter werden an Steharbeitsbänken platziert. Die Lagenplatzierung wird durch Markierungen auf der Form geführt. Für Bereiche, in denen die Kohlenstofffaser direkt mit dem Schaum in Kontakt steht, wie Verdopplungen und Holme, sind im Schaum vorgefräste Vertiefungen zur Führungsplatzierung vorhanden. VHA verwendet Presswerkzeuge (Caul) an allen Rotorblättern, einschließlich in einigen Bereichen Airtechs (Huntington Beach, CA, USA) Airpad unvulkanisiertes, nicht-silikonhaltiges Gummi, das zu Druck-Caul-Blättern und flexiblen Dornen geformt werden kann.

Jedes von VHA gefertigte Rotorblatt umfasst ein Titanbefestigungselement zur Anbindung des Rotorblatts an den Rotorblattmast, und dieses Element ist ein kritischer Teil jedes Laminiervorgangs. Intern von VHA gefertigt, erfordern die Befestigungselemente zusätzliche Lagenaufbauten um sie herum, um die Rotorblattintegrität zu wahren.

Fertige Rotorblatt-Laminate werden als Nächstes in einen von VHAs zwei Autoklaven transferiert, die jeweils ca. 7,3 m lang sind. Das von VHA verwendete Torayca-Epoxid-Prepreg erfordert eine Standard-121-°C-Härtung.

Nach dem Härten werden Rotorblätter in die Werkstatt transferiert, wo sie auf Endmaße getrimmt werden. Auch in der Werkstatt fertigt VHA fast alle metallischen Teile für die Rotorblätter, einschließlich der Titanbefestigungen und Nickel-Abriebstreifen für die Rotorblattvorderkante. VHA betreibt zwei vertikale CNCs, zwei horizontale CNCs und einen OMAX (Kent, WA, USA) Wasserstrahlschneider. Drei CNCs stammen von Haas Automation Inc. (Oxnard, CA, USA); einer von DMG Mori Seiki (Nagoya, Japan).

Schließlich führt VHA strenge Tests der gefertigten Rotorblätter durch und verfügt über diverse Vorrichtungen und Prüfmaschinen, um alles von Blattbalance bis Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften zu bewerten. VHA besitzt auch einen eigenen Bell 206B Hubschrauber, um dynamische Rotorblatteigenschaften zu evaluieren, einschließlich des für Piloten so wichtigen „Gefühls“.

Als CW nach zerstörungsfreier Prüfung (NDI) fragte, merkt Rosenlof an, dass VHA keine durchführe. „Wir haben prozessabhängige Qualität“, sagt er. „Wir überwachen Temperatur, Druck und Zeit, und solange wir innerhalb der Spezifikation liegen, fertigen wir gute Rotorblätter.“ Rosenlof weist auch darauf hin, dass ein Großteil von VHAs Prozess- und Qualitätskontrolle auf Toleranzen der oberen Rotorblattoberfläche fokussiert, da dies die „funktionale“ Seite eines Rotorblatts ist und für die Leistung am kritischsten ist.

Nächste Schritte

VHAs Rotorblattarbeit ist nicht getan. Das Unternehmen entwickelt bereits neue Produkte, einschließlich Heck- und Hauptrotorblätter für den zweimotorigen, zweiblättrigen Bell 212 und den zweimotorigen, vierblättrigen, Huey-Klasse Bell 412. Rosenlof fügt hinzu, dass VHA an Co-Curing-Technologien arbeitet, die größere Fertigungseffizienzen ermöglichen könnten.

Zum Abschluss der Tour merkt Rosenlof an, dass VHA zwar ein relativ kleiner Betrieb ist (Führungspersonal und Belegschaft insgesamt 30), das Unternehmen aber eine Nische geschaffen hat, anders als viele andere, und dies durch mutiges und selbstbewusstes Implementieren von Verbundstofffertigungskompetenz getan hat. Diese Nische, so robust sie für VHA ist, wurde nicht einfach erbaut und ist in diesem Sinne wohlverdient. „Wir sind“, scherzt er, „ein 18-jähriger Übernachtungserfolg.“