Thermoplast statt Aluminium Alternative zum Aluminium beim Flugzeugbau

Jahrzehntelang hat sich Aluminium für den Bau von Flugzeugen bewährt und die Fertigung wurde stetig optimiert. Für eine nachhaltige und klimaverträgliche Luftfahrt ist das jedoch nicht mehr ausreichend. Auf allen Ebenen sind neue Lösungen gefragt, um die Luftfahrt nachhaltiger aufzustellen.

Welche Revolution im Bereich Material und Produktion möglich ist, hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) nun gemeinsam mit Premium Aerotec, Airbus und Aernnova gezeigt – mit der Entwicklung eines Rumpf-Bauteils, das vollständig aus carbonfaserverstärktem Thermoplast hergestellt wurde.

Der spezielle Kunststoff (LM_PAEK) macht das Bauteil schadenstoleranter und rund eine Tonne leichter als sein Pendant aus Aluminium. Für die Fertigung und Montage wurden grundlegend neue Technologien entwickelt, die kosteneffiziente, ressourcenschonende Prozesse bei minimalem Energieverbrauch ermöglichen.

Multifunktionaler Rumpf-Demonstrator MFFD

Um das Einsatzmaterial zu untersuchen und die notwendigen Technologien zu demonstrieren wurde am DLR in Augsburg eine Rumpf-Oberschale gefertigt, also die obere Hälfte eines Flugzeugrumpfes. Der 8 m lange Prototyp, ein „Multifunctional Fuselage Demonstrator“ (MFFD) wurde im Rahmen des Large Passenger Aircraft Projektes des europäischen Forschungsprogramms Clean Sky-2 erarbeitet.

Ziel ist es, das Rumpfgewicht um 10 Prozent und die laufenden Kosten von Flugzeugen um 20 Prozent zu senken, im Hinblick auf eine Produktionsrate von 60 bis 100 Flugzeugen im Monat. Am 18. Juli 2023 haben die MFFD-Projektpartner die Oberschale erfolgreich ausgeliefert.

„Auf dem Weg zum klimaverträglichen Fliegen gilt es die Effizienz heutiger Flugzeuge – unter anderem durch Systemleichtbau – bis zur Mitte des Jahrhunderts noch einmal zu verdoppeln“, sagt DLR-Bereichsvorstand Luftfahrt Dr. Markus Fischer. „Die nun am DLR in Augsburg gefertigte Rumpfoberschale aus faserverstärkten Thermoplasten ist ein vielversprechender Meilenstein und in ihrer Größe bisher einmalig.“

Eigenschaften von thermoplastischen CFK-Bauteilen

Thermoplaste beziehungsweise thermoplastische carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) besitzen besondere Eigenschaften: Während sie in erkaltetem Zustand ihre stabile Form behalten, können sie bei erneuter Hitzezufuhr in einem bestimmten Temperaturbereich umgeformt werden. Bauteile lassen sich dadurch erheblich besser reparieren und wiederverwerten als bisher. Die Konstruktion für die thermoplastische CFK-Oberschale stammt von Premium Aerotec gemeinsam mit den Projektpartnern.

Die automatisierte Fertigung und Roboterwerkzeuge wurden maßgeblich am DLR-Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP) in Augsburg entwickelt. Drei wesentliche Technologien haben die Forschenden hierbei zur Reife gebracht: die laserbasierte in-situ Faserablage, das kontinuierliche Ultraschall-Schweißen und das elektrische Widerstandsschweißen.

Laser, Ultraschall und Strom

Um die Flugzeughaut herzustellen, setzte das DLR-Team einen kopfüber hängenden Roboter ein, der die Materialstreifen per Laser punktgenau erwärmt und in Schichten abgelegt, sodass ein Laminat aus faserverstärkten Kunststoffen entsteht. Der Materialverschnitt ist minimal – ressourcenschonend und ein wichtiger Aspekt für die Kostenbilanz, da CFK erheblich teurer ist als Aluminium.

Zudem entfällt das anschließende Festigen im Autoklav, wie es sonst bei Flugzeug-Bauteilen aus Carbon notwendig ist. Das verkürzt die Produktionszeit um bis zu 40 Prozent und reduziert dadurch weitere Kosten. Im nächsten Produktionsschritt galt es die Außenhaut mit Längsversteifungen zu versehen. Anstatt die 44 Stringer zu vernieten, wurden sie per Ultraschall auf das Bauteil geschweißt – eine Weltneuheit. Dazu ließen die ZLPler einen Roboter an den Stringern entlangfahren, mit einer hochpräzisen automatischen Pfadkorrektur.

Diese Methode ist deutlich schneller als das herkömmliche mechanische Arbeiten. Sie hat, wie auch die folgende Fügetechnologie, einen weiteren Vorteil: Es entstehen keine Späne oder Staub, sodass man Komponenten vorausrüsten kann und erst in der Endmontage die Rumpfschalen zusammenfügt. Bei einer Metallkonstruktion würden Späne etwa die Hydraulik, Elektrik oder andere Installationen im Flugzeugrumpf beschädigen.

Widerstandsschweißen für lasttragende Flugzeugstrukturen

Die dritte Technologie die das DLR-Team entwickelt hat, betrifft die Montage der Querversteifung. Die sogenannten Spante wurden per Strom erhitzt und mit Hilfe eines speziell entwickelten Werkzeugs widerstandsgeschweißt. Das Verfahren ist äußerst robust und liefert höchste Schweißfestigkeiten.

So reduzieren thermoplastische CFK gegenüber Aluminium weiter die Produktionszeit und damit die wirtschaftlichen Herstellkosten. Da die Bohrungen wegfallen, bleibt auch hier die lasttragende Flugzeughaut intakt und staubfrei. Um abschließend die Längsversteifungen mit den Querbalken zu verbinden, erweiterten die Augsburger das Widerstandsschweißen.

Weil die Arbeit sehr kleinteilig und extrem beengt ist, kombinierten sie den Standardroboter mit einem kleinen Leichtbauroboter. Der nachgiebig geregelte Cobot konnte sich an den Spanten und Stringern automatisch ausrichten und die Dutzenden Verbindungselemente zielsicher und schnell verschweißen.

Pläne und Potenziale

„Es war ein sehr herausforderndes Projekt, fachlich wie auch für mich persönlich. Innerhalb weniger Jahre haben wir mit der MFFD-Oberschale mögliche Alternativen für Technologien entwickelt, die sich über Jahrzehnte in der Luftfahrt bewährt haben. Ich bin gespannt auf die weiteren Schritte, aber zuversichtlich, dass wir auf dem richtigen Weg sind, da der Leichtbau für die Luftfahrt von morgen noch an Bedeutung gewinnen wird“, erklärt DLR-Projektleiter Dr. Frederic Fischer vom ZLP.

Mit dem MFFD ist es dem DLR gelungen, das weltweit größte Flugzeug-Bauteil aus faserverstärkten Thermoplasten herzustellen. Die entwickelten Technologien konnten deutlich im Reifegrad erhöht werden, und zeichnen sich durch einen sehr niedrigen ökologischen Fußabdruck aus. Damit liefert das DLR einen bedeutenden Beitrag für das klimaverträgliche Fliegen. Wie das aktuelle Projekt zeigt, bestehen am ZLP in Augsburg beste Voraussetzungen, die nächste Generation von Luftfahrzeugen zu entwickeln.

Die Technologiedemonstration stärkt die Wettbewerbsfähigkeit auf regionaler, nationaler und europäischer Ebene. Seit Mitte Juni befindet sich die Rumpfhalbschale beim Projektpartner Premium Aerotec, der im Augsburger Werk die Endbearbeitung sowie den Einbau des Türrahmens finalisiert hat.

Nach der erfolgreichen Auslieferung geht das Bauteil nun per Schwertransport nach Stade an das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), wo es bis Jahresende mit der Unterschale aus den Niederlanden (Projekt Stunning) zur Rumpftonne gefügt wird. Die finale Validierung und Verifikation der Technologien erfolgt abschließend durch Airbus am Zentrum für angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) in Hamburg.