Kern-Kompetenz Tragfähigkeit: Strukturelle FKV-Kerne für den Einsatz in der Luftfahrt

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Die Fertigung von hohlförmigen strukturellen Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) wie z.B. einer Flugzeug-Landeklappe benötigt üblicherweise komplexe metallische Hartkerne. Durch Dickensprünge und Hinterschneidungen sind diese Kerne komplex aufgebaut, um sie nach der Fertigung aus dem Bauteil entfernen zu können. Einen Lösungsansatz zur Vereinfachung der Herstellung stellen hohlförmige FKV-Kerne dar, die im Bauteil verbleiben können und strukturelle Lasten übernehmen. Diese sogenannten strukturellen Kerne werden im Verbundprojekt Next-Move am IVW entwickelt. In Prepreg- sowie in RTM-Bauweise werden zunächst die Verfahren zur Herstellung der Kerne entwickelt und diese im Anschluss in eine Demonstratorstruktur integriert.

In einem ersten Schritt werden die strukturellen Kerne hergestellt. Hierfür wird ein eigens entwickeltes Schlauchblasverfahren genutzt. Eine Besonderheit stellt dabei die Drapierung der Kerne direkt auf dem Schlauch dar. In einem bereitstehenden Werkzeug werden die drapierten Kerne eingebracht und über den nach außen führenden Schlauch mit Innendruck beaufschlagt. Dabei können die Kerne verschieden dimensioniert sein, um für unterschiedliche Einsatzbereiche leichtbaugerechte Lösungen umzusetzen.

Für eine optimale Lastübertragung ist die Anbindung zwischen den strukturellen Kernen und dem Demonstrator entscheidend. Für eine optimale Anbindungsfestigkeit werden die FKV-Kerne teilausgehärtet und in die Bauteilstruktur eingebracht. Die Teilaushärtung erfolgt, um die Kerne mit ausreichender Festigkeit herzustellen und gleichzeitig eine gute Anbindung an die umgebende Struktur zu gewährleisten. Die Festigkeit ist dabei für das Handling und das Einsetzen in das Bauteil notwendig. Erst im nachfolgenden Injektionsprozess findet die vollständige Aushärtung der strukturellen Kerne zusammen mit der umliegenden Struktur statt. Die Anbindungsfestigkeit hängt dabei vom Aushärtegrad ab und liegt bei teilausgehärteten FKV-Kernen höher als bei vollausgehärteten Kernen. Auf Basis umfassender Analysen des Reaktionsprozesses und mechanischer Prüfungen von Fügepartnern unter verschiedenen Aushärtegraden wird das Optimum für den Herstellungsprozess definiert. Dabei werden neben experimentellen, auch virtuelle Parameterstudien in Form von Finite Elemente-Simulationen für den Lagenaufbau und die optimierte Anbindung durchgeführt. Die Ergebnisse aus Couponversuchen dienen dabei als Eingangsdaten. Mit Hilfe der Simulation kann die Umsetzung der Bauweise in Bauteilen verschiedenster Geometrien analysiert und deren Einsetzbarkeit bewertet werden.

Abschließend werden im kommenden Jahr vergleichende, mechanische Prüfungen an Bauteilen einer herkömmlichen Bauweise und der neuen Bauweise durchgeführt und bewertet. Das Projekt bildet damit den Einstieg in eine neue effiziente Herstellungsmethodik, die weitgehende Freiheiten beim Design komplexer FKV-Bauteile eröffnet.

Das Verbundprojekt wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Weitere Informationen:
Dipl.-Ing. Thomas Rief
Bauteilentwicklung
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Str. 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 (0) 631/2017 415
E-Mail: thomas.rief@ivw.uni-kl.de