Verbundwerkstoffe in Luft- und Raumfahrt
Zeitalter der Hightech-Werkstoffe
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Das nie endende Streben der Luftfahrtindustrie nach einer ständigen Leistungssteigerung ihrer Produkte ist die Triebfeder für die Entwicklung verbesserter Strukturwerkstoffe. Unternehmen von EADS hatten bei der Entwicklung moderner Materialien stets die Nase vorn.
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Heute spielen Faserverbundwerkstoffe beim Bau von Flugzeugen, Hubschraubern, Flugkörpern, Trägerraketen und Satelliten eine immer bedeutendere Rolle. Die am häufigsten in der Luftfahrt verwendeten Verbundwerkstoffe sind die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK), eine Mischung aus 60 Prozent Kohlefasern und 40 Prozent Harz. Darüber hinaus gibt es Sandwich- und Wabenstrukturen, Faser-Metall-Laminate, Glasfaserwerkstoffe und nicht zu vergessen die vor allem in Hochtemperaturbereichen, wie in Raketentriebwerken, eingesetzten keramischen Faserverbundwerkstoffe.
Für die Verwendung von Verbundwerkstoffen im Flugzeugbau sprechen das ausgezeichnete Verhältnis von Festigkeit zur Masse, die hervorragende Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit sowie die Formbarkeit, die eine präzise Gestaltung entsprechend den Konstruktionsanforderungen zulässt. Mit Verbundwerkstoffen lassen sich leichter komplexe (etwa sphärische) Formen herstellen als mit Metall. Ein Bauteil muss nicht mehr aus vielen Einzelteilen zusammengesetzt werden und benötigt daher weniger Befestigungs- und Verbindungselemente – häufige Schwachstellen einer Struktur.
Die Kehrseite der Medaille sind unter anderem die im Vergleich zur Metallbauweise höheren Fertigungskosten. Auch können unter Umständen Steifheit und Festigkeit der Verbundwerkstoffe in Abhängigkeit von Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt sowie die Dicke des Bauteils schwanken. Außerdem können sie in bestimmten Situationen beschädigungsanfälliger sein: etwa bei Hagel und Vogelschlag oder bei Stößen, wie sie manchmal auf Flughäfen durch Versorgungsfahrzeuge geschehen.
Anteil der Faserverbund- werkstoffe an der Strukturmasse [PopUp]
Zur Herstellung von Flugzeugteilen aus CFK kommen unterschiedliche Techniken zur Anwendung. Am häufigsten werden aufgerollte, harzgetränkte Kohlefaserbahnen formgerecht zugeschnitten und zu mehreren Schichten verarbeitet. Das Bauteil wird anschließend zusammengepresst und in einem so genannten „Autoklaven“ bei hoher Temperatur ausgehärtet. Eine weitere häufig verwendete Methode besteht darin, der Kohlefaser in einer Formschale oder durch Näh- und Flechttechniken die gewünschte Form zu verleihen und anschließend Flüssigharz in diese Form zu infiltrieren. Bei einigen der hierfür verwendeten Verfahren wird das Bauteil in einem Vakuum bei Raumtemperatur ausgehärtet.
Mit der Ablösung von Metallwerkstoffen durch Verbundwerkstoffe kann bis zu 40 Prozent an Masse eingespart werden. Diese Einsparung, die sich wiederum positiv auf den Treibstoffverbrauch und die Zuladung des Fluggeräts auswirkt, spielt in einem von hohen Treibstoffpreisen gekennzeichneten Marktumfeld und angesichts der schärfer werdenden Emissionsnormen für Flugzeuge eine entscheidende Rolle. Abgesehen von der im Vergleich zu herkömmlichen Werkstoffen geringeren Masse überzeugen die Verbundwerkstoffe jedoch auch durch eine hohe Zuverlässigkeit, die sich wiederum in niedrigen Betriebskosten niederschlägt.
Ein erheblicher Nachteil sind allerdings, wie gesagt, die im Vergleich zur Metallbauweise höheren Herstellungskosten der Verbundstrukturen. Umfassende Forschungen zielen daher auf eine drastische Senkung dieser Kosten durch Fertigungsmethoden, die den Einsatz von Autoklaven erübrigen und den Automatisierungsgrad der Fertigungsprozesse erhöhen, wie das automatisierte Tape- und Faserlegen sowie die Harz-Injektionsverfahren RTM (Resin Transfer Moulding) und RFI (Resin Film Infusion).
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Die Entwicklung der Verbundwerkstoffe bei Airbus
Airbus führte Verbundwerkstoffe erstmals 1972 bei den Vorderkanten des Seitenleitwerks der A300B ein. 1982 verwendete der Flugzeugbauer als Vorreiter seiner Branche Kohlefaserverbundwerkstoffe für Spoiler, Bremsklappen, Höhen- und Seitenruder der A310-200 sowie 1987 für Primärstrukturen insbesondere des Seitenleitwerks der A310-300 und des Höhenleitwerks und der Klappen der A320. Bei den Langstreckenflugzeugen hielten die neuen Werkstoffe Einzug, als die Höhen- und Seitenleitwerke, die als Treibstofftanks dienten, die Höhen- und Seitenruder, Klappen, Querruder, Spoiler, Fahrwerksklappen und verschiedene Verkleidungen der A340 aus Verbundwerkstoffen hergestellt wurden. Viele bahnbrechende Innovationen folgten. So zum Beispiel die Entwicklung eines Kielträgers aus Kohlefaser für die A340-500/-600 und des hinteren Druckschotts für den gleichen Typ als erstes Verbundwerkstoffteil im bedruckten Bereich des Flugzeugs.
Airbus A380
Die Airbus-Entwicklungen im Bereich Verbundwerkstoffe haben zu einer breiten Akzeptanz dieses Werkstoffs als Fertigungsmaterial in der weltweiten Zivilluftfahrt geführt. Inzwischen macht Airbus bei der A380 mit den Verbundwerkstoffen nicht einmal vor den Rumpfstrukturen Halt. Dies wäre vor zwanzig Jahren noch undenkbar gewesen. Rund 40 Prozent der Flugzeugstruktur der A380 besteht aus Kohlefaserverbundwerkstoffen der jüngsten Generation und modernen Metallwerkstoffen. Das Flugzeug umfasst die weltweit größte, jemals für ein Flugzeug gebaute Rumpfhecksektion aus Verbundwerkstoffen und einen Flügelmittelkasten, der zu weiten Teilen aus diesem Material hergestellt wurde. Die Masseersparnis allein bei diesem Bauteil entspricht bis zu eineinhalb Tonnen im Vergleich zur modernsten Aluminiumlegierungsbauweise. Auch Leitwerkkasten, Ruder und Höhenflosse bestehen aus dem schwarzen Material. Darüber hinaus wurden das hintere Druckschott und die Bodenträger des oberen Passagierdecks aus CFK gefertigt, während die starren Tragflächenvorderkanten aus thermo- plastischem Kunststoff sind, einem Material, das bei hohen Temperaturen weich und bei Abkühlung wieder hart wird.
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Nach intensiven Tests wurde erstmals auch ein neuer, speziell für die Luftfahrt entwickelter Werkstoff in einem Verkehrsflugzeug eingesetzt: Die obere Rumpfschale der A380 besteht aus GLARE (GLAss-REinforced), einem Laminat aus mehreren Schichten abwechselnd dünner Aluminiumfolien und harzgetränkter Glasfasermatten. Abgesehen von der um zehn Prozent geringeren Materialdichte und der dadurch erzielten Masse-Einsparung von rund 800 Kilogramm, ist GLARE widerstandsfähiger und ermüdungs- und feuerbeständiger als Aluminiumlegierungen. Das neue Material mit seiner Glasfaser-Außenschicht, die nichts durch die Alu-Oberflächenbeschichtung durchsickern lässt, zeichnet sich durch eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit aus. GLARE wird mit einem Heißklebungsverfahren hergestellt, lässt sich aber ebenso leicht reparieren wie herkömmliches Aluminium.
Airbus A400M
Während bei den Verkehrsflugzeugen zunehmend Verbundwerkstoffe zum Tragen kommen, überwiegt bei den Militärflugzeugen bei weitem der Metallanteil. Dies wird sich mit Einführung des Transporters A400M von Airbus Military schlagartig ändern. Der Verbundwerkstoffanteil entspricht rund 35 Prozent der Leermasse des Frachters.
Die A400M ist der erste Airbus mit einer überwiegend aus Verbundwerkstoffen konstruierten Tragflächenprimärstruktur mit Holmen und Beplankung aus Kohlefaser. Eines der Hauptkriterien moderner Flugzeugprogramme ist ein Kosten sparendes Gesamtkonzept. In diesem Fall bedeutete dies, zunächst Flügelholme zu konstruieren, die mit weitgehend automatisierten Verfahren hergestellt werden können, und dann das Fertigungssystem zu entwickeln, das solch große, komplexe Teile in der bei einem derart hoch belasteten Primärstrukturelement erforderlichen Qualität produzieren kann.
Airbus A350 XWB
Um den Marktanforderungen bestens gerecht zu werden, hat Airbus unter dem Titel „Intelligent Airframe“ eine eigene Konstruktionsphilosophie entwickelt. Dabei geht es um eine optimale Kombination von neuen Materialien und modernen Konstruktions- und Produktionsverfahren sowie die schrittweise Einführung von intelligenten Strukturtechnologien. Bei der Auswahl fällt die Entscheidung jeweils zu Gunsten des für ein bestimmtes Bauteil und die örtlichen strukturellen Anforderungen am besten geeigneten Werkstoffs unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Stärken und Schwächen der Materialien.
Aufgrund dieses Ansatzes wird die Zelle der neuen A350 XWB zu 52 Prozent aus Verbundwerkstoffen und zu 20 Prozent aus ultraleichten Legierungen wie Aluminium-Lithium bestehen. Die völlig neu entwickelten Verbundwerkstoff- Tragflächen der A350 XWB haben eine Spannweite von 64 Metern. Auch die Rumpfschalen und die Rumpfhecksektion, der Flügelmittelkasten, die untere Rumpfverkleidung und die Höhen- und Seitenleitwerke bestehen aus Verbundwerkstoffen. Die Rumpfspanten, Bodenträger und Fahrwerksschächte sind aus Aluminium und Alu-Lithium, Fahrwerk, Triebswerksträger und Anschlusspunkte aus Titan.
Jede der drei Rumpfsektionen besteht aus vier langen CFK-Schalen (einer Dach- und einer Bodenschale sowie zwei Seitenschalen), die auf Metall- strukturen befestigt werden. Der innovative Einsatz von neu entwickelten, auf Aluminiumspanten befestigten CFK-Rumpfschalen vereinfacht die Fertigung im Vergleich zu der Bauweise aus ganzen CFK-Rumpftonnen, wie Boeing sie für die 787 plant. Die Hybrid-Konstruktion der Rumpfschalen für die A350 XWB, die in Materialstärke und -zusammensetzung an die örtlichen strukturellen Anforderungen optimal angepasst werden können, spart Masse ein. Je länger die Segmente, desto weniger Umfangsnähte werden benötigt, während die Längsnähte die Biegefestigkeit des Rumpfes erhöhen. Die Metallspanten sind nicht nur leichtgewichtige Strukturelemente, sondern verleihen auch die notwendige elektrische Leitfähigkeit. Beim Schalenkonzept der neuesten Airbus-Flugzeuge ist eindeutig der richtige Werkstoff am richtigen Platz.
Eurofighter Typhoon
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Aufgrund der besonderen Anforderungen sind Kampfflugzeuge häufig Entwicklungsmotor für neue Technologien. Höhere Nutzlasten, verbesserte Wendigkeit und kürzere Start- und Landewege können nur mit leichteren Strukturen erzielt werden. Typische Verbundwerkstoffteile bei Militär- flugzeugen waren die von den EADS-Vorgänger- und Partnerunternehmen für den Tornado und den Alpha Jet entwickelten Seitenleitwerke, die Fahrwerksklappen und die Rumpfelemente. Im Rahmen dieser Programme wurde ein bedeutendes Verbundwerkstoff-Know-how in Bezug auf Konstruktion, Beschädigungstoleranz, Fertigungsverfahren und Betriebsverhalten (zum Beispiel Feuchtigkeitsaufnahme und Rissanfälligkeit) aufgebaut. Heutzutage werden die Flugzeugstrukturen der Kampfflugzeuge zu einem erheblichen Teil aus Verbundwerkstoffen gefertigt. Ein Paradebeispiel ist der Eurofighter, dessen Verbundwerkstoffanteil 40 Prozent der Strukturmasse ausmacht, bei der Außenhaut sogar 70 Prozent.
Die Forschungsarbeiten der EADS Divisions und der EADS Innovation Works auf dem Gebiet der Verbundwerkstoff-Technologien zielen unter anderem auf kostengünstige Fertigungsmethoden, die den Einsatz von Autoklaven erübrigen und den Automatisierungsgrad der Fertigungsprozesse erhöhen, wie das automatisierte Tape- und Faserlegen und die Harz- Injektionsverfahren RTM und RFI. Auch modernere Konstruktionsmethoden und Strukturanalyseverfahren, digitale Simulationstechniken und moderne zerstörungsfreie Test- und Prüfverfahren sowie Technologien zur integrierten Überwachung der strukturellen Integrität (Structural Health Monitoring), Schnellreparatur- und Blitzschutz-Technologien sind Gegenstand intensiver Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten.
Forschung auf Hochtouren
Die Entwicklung und Umsetzung von intelligenten Strukturtechnologien zeigt neue Möglichkeiten zur Reduzierung von Masse und Wartungsaufwand auf. Die Forschungsprogramme laufen auf Hochtouren. Künftige Flugzeugstrukturen werden mehr und mehr selbstadaptive, selbstüberwachende und „selbstreparierende“ Fähigkeiten aufweisen. Und vielleicht werden die intelligenten Strukturen von morgen mit Hilfe der Nanotechnologie nicht nur die Werkstoffeigenschaften in Bezug auf Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sowie Feuerbeständigkeit verbessern, sondern auch multifunktionale Werkstoffe mit Sensorfunktionen und Strukturelementen ermöglichen, die auf Befehl ihre Abmessungen, Gestalt und Funktion ändern können („Morphing“).
Eurocopter: Rekordhalter bei CFK
Konsequenter Leichtbau ist bei Hubschraubern noch wichtiger als bei Flugzeugen. Denn während bei diesen die Luftströmung einen Teil der Last trägt, muss beim Hubschrauber beim Vertikalstart jedes Gramm Masse durch die Antriebskraft gehoben werden. Daher werden auch die Kabinenstrukturen schon seit mehreren Jahren fast vollständig aus Verbundwerkstoffen gebaut – die höheren Kosten gegenüber der Metallbauweise amortisieren sich im Betrieb durch die Treibstoffersparnis schnell.
Mindestens ebenso wichtig ist die Korrosionsbeständigkeit: Viele Eurocopter- Hubschrauber versorgen Ölbohrinseln und sind deshalb ständig stark salzhaltiger Luft ausgesetzt. Die Kunststoffe sind sehr widerstandsfähig gegen derartige Umwelteinflüsse und halten problemlos das ganze Hubschrauberleben.
Hochleistungskunststoffe hatten schon bei den Gründerunternehmen von Eurocopter Tradition, denn bereits vor ca. 40 Jahren fertigte Eurocopter als erstes Unternehmen Rotorblätter daraus. Ein Helikopter-Rotorblatt ist immensen Fliehkräften ausgesetzt, außerdem prallt die anströmende Luft fast mit Schallgeschwindigkeit gegen die Blattvorderkante der Blattspitzen und lässt das Blatt in jede Richtung schwingen. All das muss es Tausende von Stunden lang aushalten, und außerdem noch möglichst leicht sein. Diese Anforderungen erfüllen nur Faserverbundwerkstoffe perfekt. Im Vergleich zur Bauweise aus Aluminium haben aus Aramid- und Glasfaser- geweben gefertigte Rotorblätter eine um den Faktor 200 längere Lebensdauer.
Der vom Konsortium NHIndustries (Eurocopter, AgustaWestland und Stork Fokker) gebaute Mehrzweck- Hubschrauber NH90 hat eine fast vollständig aus Kohle- und Glasfasern gebaute Zelle, der Anteil der Verbund- werkstoffe am Strukturgewicht erreicht bei diesem Hubschrauber mit 85 Prozent den Spitzenwert aller bei EADS-Unternehmen gefertigten Fluggeräte. Die vier Blätter des NH90-Hauptrotors sind in Wabenbauweise gefertigt und mit einer Außenhaut aus gemischtem Glasfaser- Kohlenfaserverbundwerkstoff überzogen.
Raumfahrt: Keramische Verbundwerkstoffe
Wieder verwendbare Antriebssysteme in der Raumfahrt müssen in der Zukunft das Potenzial für mehrfache Starts aufweisen. Beim Bau von Triebwerken für Raketen und Satelliten gewinnen deshalb keramische Verbundwerkstoffe immer größere Bedeutung. Die Vorteile liegen in der geringeren Masse, der Reduzierung des Kühlaufwands und der Erhöhung der Einsatztemperatur auf bis zu 2000 Grad Celsius. Außerdem verfügen Keramik- werkstoffe über eine einzigartige Eigenschaft: Ihre Festigkeit steigt mit der Temperatur.
Durch diese Eigenschaft sind sie prädestiniert für den Einsatz in Raketen- triebwerken, die extremen Temperaturen standhalten müssen. Ein Beispiel dafür sind aus kohlenstofffaserverstärktem Siliziumcarbid (C/SiC) gefertigte Brennkammern mit Expansionsdüsen, die in einer Zusammenarbeit zwischen den EADS Innovation Works mit dem Geschäftsbereich EADS Astrium für einen neuen Apogäumsmotor entwickelt werden, der in Zukunft große Telekommunikations- satelliten in ihre endgültige Position in der geostationären Umlaufbahn manövrieren wird. Bisher sind Bauteile aus diesen Materialien in der Herstellung sehr teuer. Dies wird sich in Zukunft ändern, vor allem dank neuer Fertigungsprozesse, bei denen textile Verarbeitungstechniken wie roboterunterstütztes Flechten und Nähen zum Einsatz kommen.
Darüber hinaus ist aus Kostengründen das so genannte Flüssigsilizierverfahren von besonderem Interesse, bei dem schmelzflüssiges Silizium in das aus Kohlefasern geflochtene Bauteil infiltriert wird und mit dem Kohlenstoff des vorher in die Faserstruktur eingebrachten Matrixkohlenstoffs zu Siliziumkarbid reagiert.
Bei EADS Astrium wurde der Werkstoff SICTEX entwickelt, dessen Herstellungsverfahren die rationellen Fertigungstechniken der Textiltechnik mit kosten- günstigen Harz- und Silizium-Infiltrationsverfahren kombiniert. Neben den Fertigungsverfahren für die Herstellung von Kohlenstofffaser- verstärktem Siliziumcarbid werden innerhalb EADS noch weitere faserverstärkte Keramikwerkstoffe entwickelt.
Durch den Einsatz neuer Fertigungs- techniken kommen die Kosten in einen Bereich, der keramisierte Faserverbund- werkstoffe beispielsweise auch für die Herstellung von Bremsscheiben für Automobile interessant macht.
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