Verbundwerkstoff vs. Aluminium:Warum moderne Verkehrsflugzeuge leichte Materialien wählen

Um Gewicht zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern, verwenden Passagierflugzeuge der neuesten Generation wie die Boeing 787 und der Airbus A350 mehr Verbundwerkstoffe als Aluminium. Aluminium lässt sich jedoch einfacher verarbeiten und ist wesentlich kostengünstiger, so dass es auf absehbare Zeit ein wichtiges Material für die Luft- und Raumfahrt bleiben wird, insbesondere bei Anwendungen mit geringerem Gewicht und kritischer Ermüdungsbeständigkeit.

Insbesondere zwei Bereiche, in denen Aluminium noch lange zum Einsatz kommen wird, sind Avionikgehäuse und Innenraumkomponenten. Diese werden in der Regel gegossen, gefolgt von einer begrenzten Bearbeitung der Montageflächen und Löcher. Hier werfen wir einen genaueren Blick auf die Gießverfahren und ihre Vorteile.

Materialien zur Massenreduktion

Masse ist das wichtigste Thema bei der Konstruktion und Herstellung in der Luft- und Raumfahrt. Je leichter die Struktur, desto kleiner die Motoren, desto höher der Wirkungsgrad und desto größer die Nutzlast. Die Masse wird minimiert, indem Materialien mit einem hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ausgewählt werden, das ansonsten als spezifische Festigkeit oder Festigkeit pro Pfund bezeichnet wird.

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist sowohl stark als auch leicht und wird zunehmend in Flugzeugstrukturen eingesetzt. Allerdings ist es auch teuer in der Herstellung und Verwendung, sodass die Tür für andere Materialien wie Aluminium offen bleibt.

Titan ist ein weiteres Material mit hoher spezifischer Festigkeit. Allerdings ist es auch hier teuer und schwierig zu gießen und zu bearbeiten.

Magnesium und Aluminium weisen ein ähnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf, Aluminium ist jedoch korrosionsbeständiger und birgt nicht die Brandgefahr wie Magnesium. Es wird in einer breiten Palette von Legierungen hergestellt und in sieben Serien unterteilt. Die 7xxx-Serie wird oft als Luft- und Raumfahrtaluminium bezeichnet, obwohl je nach spezifischen Anwendungsanforderungen auch andere Legierungen verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil von Aluminium besteht darin, dass es eloxiert werden kann. Hierbei handelt es sich um eine Methode zur Erhöhung der Oberflächenoxidation, um die Härte zu erhöhen und ein attraktives Aussehen zu verleihen, ohne dass eine Beschichtung erforderlich ist.

Gießmethoden für Aluminiumkomponenten für die Luft- und Raumfahrt

Die Minimierung der Masse erfordert einen Gussprozess, der dünne Abschnitte und feine Details erzeugen kann. Dies schließt Sandguss von der Betrachtung aus, sodass Folgendes übrig bleibt:

• Feinguss
• Schalenformung
• Permanenter Formguss

Hier ist ein Blick auf die relevanten Merkmale jedes einzelnen

Feinguss

Ein Einwegformverfahren, bei dem eine Keramikform-„Schale“ über einem Wachsmodell geformt wird. Der Feinguss eignet sich für Teile mit einem Gewicht von bis zu 30 Pfund und ermöglicht die Herstellung komplexer Formen mit dünnen Wänden und einspringenden Merkmalen unter Einhaltung enger Toleranzen und der Bildung glatter Oberflächen. Aufgrund der Komplexität des Prozesses kommt er zum Tragen, wenn es darauf ankommt, sowohl die Bearbeitung als auch die Masse zu minimieren.

Schalenformung

Bei diesem Verfahren wird ein Muster mit einer Außenhülle aus Sandharz beschichtet. Die Form besteht normalerweise aus zwei Hälften, die zusammengefügt werden, um den Formhohlraum zu bilden. Sobald das Metall erstarrt ist, wird die Form auseinandergebrochen. Beim Schalengießen können größere Teile hergestellt werden als beim Feinguss, allerdings ist der Detaillierungsgrad und die Komplexität begrenzt. Die Oberflächengüte ist nicht so gut wie beim Feinguss.

Permanenter Formguss

Dabei werden Metallmatrizen zur Formung der Teile verwendet, wobei das flüssige Metall durch die Schwerkraft einfließt. Kurze Zykluszeiten sind möglich und eine schnelle Abkühlung erhöht die Teilefestigkeit, allerdings ist die Werkzeugausstattung teuer. Zusammengenommen machen diese das Kokillengießen zu einem Großserienverfahren. Darüber hinaus ist es nicht in der Lage, die feinen Details zu erreichen, die Feinguss erreichen kann.

Aluminiumguss für die Luft- und Raumfahrt

Aluminium bietet das optimale Gleichgewicht zwischen Masse, Teilekomplexität und Kosten für Avionikgehäuse und Innenkomponenten wie Halterungen und Sitzmöbel. Güten wie die Serie 7xxx bieten eine hohe Festigkeit bei guter Bearbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Diese Teile und andere, wie beispielsweise Hydraulikpumpengehäuse, können problemlos durch Gießen hergestellt werden, was das Ziel der Gewichtsreduzierung unterstützt und gleichzeitig den Bearbeitungsaufwand minimiert. Beim Feinguss wird die höchste Genauigkeit und Komplexität erreicht, Schalenformen und Kokillenguss sind jedoch Alternativen, abhängig von der Teilegeometrie und den benötigten Mengen.

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