PEI im Flugzeugbau Ruder aus thermoplastischen Sandwichstrukturen

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

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K-Profile AG Innovationen in Kunststoff

Sandwichstrukturen mit thermoplastischem Wabenkern lassen sich effizient verarbeiten und sind recycelbar. Diese Vorteile sollen künftig auch bei der Herstellung hochbeanspruchter Bauteile im Flugzeugbau genutzt werden. 

Die Faserverbund-Sandwichbauweise ist im Flugzeugbau seit Jahrzehnten etabliert und wird unter anderem für Steuerflächen wie Seitenruder eingesetzt. Sie ermöglicht extrem leichte und dennoch hochsteife Bauteile. 

Bislang wurden jedoch fast ausschließlich duroplastische Faserverbundwerkstoffe in Kombination mit Wabenkernen aus Aramid-Faltpapier verwendet, die eine hexagonale Zellstruktur bilden. Diese Materialien sind komplex in der Herstellung, sehr arbeitsintensiv und nur begrenzt recycelbar. 

Wabenkern aus PEI

Angesichts steigender Produktionszahlen, strengerer Umweltanforderungen und der Notwendigkeit einer stärkeren Automatisierung rücken thermoplastische Faserverbundwerkstoffe zunehmend in den Fokus der Forschung. Im Rahmen des von Airbus geleiteten Forschungs- und Entwicklungsprojekts „Faster-H2“ im Rahmen des EU-Förderprogramms „Clean Aviation“ untersuchte das Arbeitspaket „EcoRudder“ den Einsatz von thermoplastischen Wabenkern-Sandwichstrukturen für das Seitenruder  für Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge. 

Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS hat eine hocheffiziente Verarbeitungstechnologie in das Projekt eingebracht, die für die industrielle Machbarkeit der neuen Konstruktionsmethode eine zentrale Rolle spielt. „Wir wollten zeigen, dass thermoplastische Sandwichstrukturen nicht nur nachhaltiger sind, sondern auch die hohen mechanischen Anforderungen im Flugzeugbau erfüllen können“, erklärt Dr.-Ing. Ralf Schlimper, Projektverantwortlicher am Fraunhofer IMWS. 

Im Projektkonsortium analysierten Fraunhofer IMWS, Airbus, die Technische Universität Dänemark (DTU) und der Wabenkernentwickler EconCore den Einsatz eines Wabenkerns aus Polyetherimid (PEI) mit einer speziellen hexagonalen Zellgeometrie. Der Wabenkern wird in einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt und mit kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Deckschichten kombiniert. Diese vorkonsolidierten Sandwich-Halbzeuge bilden die Grundlage für eine weiterführende, hochproduktive Bauteilfertigung.

3D-Formgebung in einem einstufigen Prozess

Die Sandwichplatten wurden mit der am Fraunhofer IMWS entwickelten Thermoplastic Sandwich Moulding Technology (TSM) weiterverarbeitet. Das Verfahren ermöglicht die dreidimensionale Formgebung thermoplastischer Sandwichstrukturen in einem einstufigen Prozess bei gleichzeitiger gezielter Herstellung funktionsrelevanter Bereiche. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsverfahren, die mehrere Prozessschritte und manuelle Nachbearbeitung erfordern, ermöglicht TSM eine weitgehend automatisierte Verarbeitung mit kurzen Zykluszeiten.

Beim TSM-Verfahren wird das thermoplastische Sandwichmaterial oberhalb der Schmelztemperatur der Matrix erhitzt und anschließend entsprechend der Bauteilkontur dreidimensional thermogeformt. In den tragenden Bereichen bleibt der Wabenkern strukturell intakt, sodass die hohe Steifigkeit und Tragfähigkeit des Sandwichs erhalten bleibt. 

In definierten Rand- und Verbindungsbereichen kann der Wabenkern jedoch selektiv eingeschmolzen werden. Auf diese Weise lassen sich auslaufende Rampen, Kantenverstärkungen oder massive Zonen für spätere Füge- und Befestigungspunkte integrieren – eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz in komplexen Luft- und Raumfahrtstrukturen wie Seitenruderschalen.

Neue Möglichkeiten für die Luft- und Raumfahrt

„Die Kombination aus kontinuierlich hergestelltem Wabenkern, thermoplastischen Deckschichten und Sandwich-Thermoformtechnologie eröffnet völlig neue Möglichkeiten für eine automatisierte und skalierbare Produktion. Insbesondere für Sandwichbauteile in der Luft- und Raumfahrt ist dies ein entscheidender Schritt hin zu wirtschaftlichen und nachhaltigen Produktionsprozessen“, sagt Jochen Pflug, CEO von EconCore und ThermHex.

Ein prototypisches Segment eines Seitenruders, das im Rahmen des EcoRudder-Projekts hergestellt wurde, demonstriert das Potenzial der entwickelten Technologie. Der Demonstrator zeigt thermoplastische Sandwichschalen, die zusammen mit einem Segment eines originalen, lasttragenden Holms aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff zu einem 1,5 m großen Abschnitt des Ruders integriert sind. Da zukünftige Flugzeugprogramme Materialien erfordern, die Leichtbauweise, Nachhaltigkeit und industrielle Herstellbarkeit vereinen, hat das Projekt wichtige technologische Bausteine dafür geliefert.

Einsatz nicht auf Seitenruder beschränkt

Das prototypische Ruder-Segment wurde darüber hinaus mit einer speziellen multiaxialen Prüfvorrichtung im DTU Structural Lab unter realistischen Betriebsbedingungen sowohl auf Biege- als auch auf Torsionsbeanspruchung mechanisch getestet. Die Versagensmechanismen der thermoplastischen Rudermaterialien wurden zusätzlich im Rahmen eines damit verbundenen Doktorandenprojekts an der DTU gründlich untersucht, wobei auch die Widerstandsfähigkeit gegen Schlagschäden bewertet wurde. 

Prof. Christian Berggreen von der DTU sagt: „Das neue thermoplastische Sandwich-Seitenruderkonzept zeigte während der gesamten Test- und Analysephase ein beträchtliches Potenzial für den Einsatz sowohl in Seitenrudern als auch in anderen Flugzeugsteuerflächen, wenn man die Leistung im Verhältnis zum Gewicht mit herkömmlichen thermoplastischen Sandwichkonfigurationen vergleicht, die derzeit in der Luftfahrtindustrie verwendet werden.“