Faserverbundwerkstoffe Wie das Gewicht eines Motorseglers reduziert werden kann

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Im Rahmen einer Masterarbeit an der Fakultät Maschinenbau der Technischen Hochschule Würzburg-Schweinfurt wurde ein Monocoque-Konzept für den Antriebstrang eines wasserstoffbetriebenen Flugzeugs entwickelt, das zu einer Gewichtsersparnis von etwa sieben Kilogramm führt. Im Einsatz sind Faserverbundkunststoffe.

Niklas Ohly, Prof. Dr.-Ing Daniel Jung, Technische Hochschule Würzburg-Schweinfurt. Niklas Ohly hat sich während seines Bachelor- und Masterstudiums der Produkt- und Systementwicklung auf die Entwicklung von Faserverbundstrukturen spezialisiert. Seit April arbeitet er als Entwicklungsingenieur für FVK-Komponenten in High-Performance-Anwendungen und Hypercars. Prof. Dr.-Ing Daniel Jung lehrt und forscht an der Fakultät Maschinenbau der Technischen Hochschule Würzburg-Schweinfurt in den Bereichen Virtuelle Produktentwicklung, Methodische Produktentwicklung sowie Produktentwicklung mit faserverstärkten Kunststoffen.

Die Luftfahrtindustrie sieht sich zunehmend der Herausforderung gegenüber, Emissionen und den Energieverbrauch zu reduzieren. Einer der vielversprechendsten Ansätze zur Erreichung dieser Ziele liegt in der Gewichtsreduktion von Flugzeugen. Insbesondere im Antriebsstrang, einem der schwersten und gleichzeitig sicherheitskritischsten Teile eines Flugzeugs, kann eine Gewichtsreduktion signifikante Vorteile bringen.

An der Technische Hochschule Würzburg-Schweinfurt (THWS) wird im Rahmen des von der Bundesregierung geförderten Forschungsprojektes „HyFly“ im Labor für Wasserstofftechnik der Fakultät Maschinenbau ein Brennstoffzellen-Antriebssystem für einen flugfähigen Reisemotorsegler Valentin Taifun 17 E entwickelt.

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Um die Gewichtsnachteile des elektrischen Antriebsstrangs im Vergleich zum konventionellen Antriebsstrang zu verringern, wurde im Labor für Produktentwicklung/Kunststofftechnik der Fakultät für Maschinenbau im Rahmen einer Masterarbeit ein Konzept entwickelt, um den Antriebsstrang des Flugzeugs Taifun 17 H2 durch den Einsatz von Faserverbundkunststoffen (FVK) leichter und gleichzeitig genauso sicher zu machen. Dieser Artikel stellt eine Auswahl der wesentlichen Erkenntnisse und Ergebnisse dieser Arbeit dar und beleuchtet die angewandten Methoden und experimentellen Validierungen.

Zielsetzung: Balance zwischen Gewichtseinsparung und struktureller Integrität

Der bestehende Antriebsstrang besteht aus einem Gitterrohrrahmen aus Stahl, der robust und zuverlässig, aber auch schwer ist. Ziel der Masterarbeit war es, diesen Rahmen durch eine leichtere, aber ebenso tragfähige Struktur zu ersetzen. Hierbei wurden die VDI-Richtlinien 2221 und 2223 zur Produktentwicklung angewendet, um systematisch und strukturiert vorzugehen. Der Fokus lag darauf, eine Balance zwischen Gewichtseinsparung und struktureller Integrität zu finden, um die Sicherheit und Leistungsfähigkeit des Flugzeugs zu gewährleisten.

Konzeptentwicklung: Analyse der Bauweise und Materialien

Zunächst wurden verschiedene Rahmenbauweisen und Materialien analysiert. Der Vergleich umfasste Gitterrohrrahmen, Kastenrahmen und Monocoques. Die Analyse zeigte, dass eine „tragende Außenhaut“ die größten Potenziale zur Gewichtsreduktion bietet. Basierend auf dieser Erkenntnis wurde ein Konzept für ein Monocoque entwickelt.

• Das Konzept wurde in einem CAD-Modell detailliert ausgearbeitet und optimiert. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Minimierung des Gewichts, ohne die strukturelle Festigkeit zu beeinträchtigen.

• Weiterhin kann der Antriebsstrang an die vorhandenen Anbindungspunkte des Verbrennungsmotors montiert werden, wodurch keine Modifikationen an der Struktur des Flugzeugs vorgenommen werden müssen.

• Ein kritischer Aspekt der Konzeptentwicklung war die Auswahl der Materialien. Faserverbundkunststoffe bieten eine hervorragende Kombination aus hoher Festigkeit und geringem Gewicht. Für den spezifischen Anwendungsfall wurden verschiedene FVK-Materialien in Betracht gezogen und ihre Eigenschaften analysiert. Letztlich fiel die Wahl auf ein Carbonfaser-verstärktes Polymer (CFRP), das aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften und seines relativ geringen Gewichts besonders geeignet erschien.

Auslegung und Simulation der FVK-Struktur

Die Auslegung des Lagenaufbaus der FVK-Struktur war ein weiterer zentraler Schritt in der Entwicklung. Acht Gewebelagen wurden in einem CAD-Programm modelliert und anschließend durch numerische Simulationen auf verschiedene Lastfälle überprüft. Dabei wurden insbesondere die Bereiche der Krafteinleitungspunkte, an denen hohe Spannungsspitzen auftreten, genau untersucht. Diese Punkte stellen oft die Achillesferse einer Struktur dar, da hier das Risiko von Materialversagen am höchsten ist. Da im Flugbetrieb nicht nur die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Lasten auftreten können, ist es besonders wichtig, ein breites Spektrum an Lastfällen und Belastungsrichtungen zu untersuchen. Um die Sicherheit der Strukturen weiterhin zu steigern, werden Quasiisotrope Laminate eingesetzt, welche nahezu keine richtungsabhängigen Eigenschaften besitzen.

Die Simulation einer FVK-Struktur unterscheidet sich deutlich von klassischen Belastungsanalysen. Jede einzelne Schicht des Lagenaufbaus muss genaustens in deren Orientierung und Materialeigenschaften modelliert werden. Hierbei muss zusätzlich der Verzug der Fasern durch gekrümmte Oberflächen berücksichtigt werden.

Durch iterative Anpassungen und Optimierungen des Lagenaufbaus konnte die Festigkeit der Struktur an den kritischen Punkten signifikant erhöht werden.

Durch iterative Anpassungen und Optimierungen des Lagenaufbaus konnte die Festigkeit der Struktur an den kritischen Punkten signifikant erhöht werden. Hier kommt der Vorteil faserverstärkter Kunststoffe besonders zum Tragen. Da der Werkstoff erst mit dem Bauteil entsteht, können Schwachstellen gezielt durch zusätzliche lokale Verstärkungslagen ausgesteift werden.

Die Simulationen umfassten Belastungsszenarien wie Biegung, Torsion und Scherung, die typische Belastungen während des Flugbetriebs darstellen. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass der optimierte Lagenaufbau den Belastungen standhält und die strukturelle Integrität gewährleistet.

Experimentelle Untersuchung zur Validierung

Zur Validierung der Simulationsergebnisse wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Hierbei wurden verschiedene Prototypen der FVK-Struktur gefertigt und geprüft. Ein besonderer Fokus lag auf den Verschraubungen und Inserts, die in der Struktur verwendet wurden. Diese Komponenten spielen eine entscheidende Rolle für die Lastübertragung und die Gesamtfestigkeit der Struktur. Ein möglichst fließender, organischer Übergang der Krafteinleitungspunkte in die Faserschichten kann die Spannungsspitzen hierbei deutlich reduzieren.

Die Tests umfassten Zug-, Druck- und Scherprüfungen an den Verbindungspunkten, um die tatsächliche Belastbarkeit und Ausreißfestigkeit zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass das hierbei verwendete Aluminium-Insert eine höhere Ausreißfestigkeit besitzt als konventionelle Verschraubungen mit Scheiben. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Insert durch seine konische Geometrie die Last gleichmäßiger in das Laminat einleitet, was zu einer besseren Festigkeit und Haltbarkeit führt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verschraubungen, entstehen hierbei keine Spannungsspitzen am Rand des Schraubenkopfes bzw. der Scheibe und das Gewebe wird nicht ausschließlich auf Scherung belastet, sondern zu einem Teil auch auf Zug in der Faserebene.

Der Versuch wurde ebenfalls simulativ nachgebildet, um das Rissbild zu vergleichen und die Spannungsspitzen und -verläufe sichtbar zu machen. Die Abbildung zeigt, dass die Risse im Probekörper genau an den Rot dargestellten lokalen Spannungsüberhöhungen entstanden und jeweils in Faserrichtung verlaufen sind.

Um Fertigungsabweichungen und Materialfehler ausschließen zu können, wurden mehrere Probekörper angefertigt und geprüft. Die Mittelwerte des Druckversuches sind in nachfolgendem Diagramm abgebildet. Die Kraft wurde hierbei senkrecht über einen Schraubenkopf in das Laminat eingeleitet. Der Einfluss der Fläche der Krafteinleitung auf die Bruchlast ist deutlich zu erkennen. Durch die Verwendung eines konischen Inserts konnte die Bruchlast bei gleicher Fläche zudem noch weiter gesteigert werden.

Antriebsstrang ist etwa 6 Prozent leichter

Das entwickelte Monocoque-Konzept führte zu einer erheblichen Gewichtsersparnis von etwa sieben Kilogramm, was einer Reduktion von 50 Prozent im Vergleich zum ursprünglichen Gitterrohrrahmen entspricht. Dies bedeutet eine Gesamtgewichtseinsparung des Antriebsstrangs um etwa 6 Prozent. Diese Gewichtsreduktion hat nicht nur positive Auswirkungen auf die Treibstoffeffizienz und Reichweite des Flugzeugs, sondern trägt auch zur Reduktion der Betriebskosten und der Umweltbelastung bei.

Die experimentellen Untersuchungen bestätigten die Simulationsergebnisse und zeigten, dass die Struktur den Anforderungen des Flugbetriebs standhält.

Obwohl das Konzept erfolgreich entwickelt wurde, sind noch mehrere Schritte notwendig, bevor es in die Praxis umgesetzt werden kann. Dazu gehören weitere aerodynamische Analysen des Monocoques, die Integration aller Baugruppen und Module sowie die umfassende Validierung der Simulationsergebnisse durch zusätzliche Versuche. Auch die Anforderungen für eine Luftfahrtzulassung müssen in enger Zusammenarbeit mit den zuständigen Behörden und Sachverständigen erarbeitet werden.

Darüber hinaus könnten zukünftige Arbeiten die Untersuchung alternativer FVK-Materialien umfassen, um das Potenzial für weitere Gewichtseinsparungen und Verbesserungen der strukturellen Festigkeit zu evaluieren. Auch die Entwicklung fortschrittlicher Fertigungstechniken für FVK-Strukturen könnte zu einer weiteren Optimierung des Antriebsstrangs beitragen.

Auf dem Weg zu effizienteren Flugzeugen

Die Ergebnisse der Masterarbeit zeigen eindrucksvoll, dass der Einsatz von Faserverbundkunststoffen im Antriebsstrang eines Flugzeugs signifikante Gewichtseinsparungen ermöglichen kann, ohne die Sicherheit und Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Das entwickelte Monocoque-Konzept bietet eine solide Grundlage für zukünftige Projekte und Prototypen und leistet einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung leichterer und effizienterer Flugzeuge.