ZEUS – Integrale Thermoplast-Bauweisen und -Prozesse

Faserkunststoffverbunde sind aufgrund ihrer hervorragenden gewichtsbezogenen Eigenschaften aus der Luftfahrt nicht mehr wegzudenken. Mit zunehmendem Anteil faserverstärkter Bauteile kommt auch den Aspekten der Reparierbarkeit und Verwertung von End-of-Life-Bauteilen steigende Aufmerksamkeit zu. Verbesserungen in diesen Bereichen lassen sich vor allem durch die Verwendung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen erzielen, die wieder aufgeschmolzen und ohne signifikanten Qualitätsverlust weiterverwendet werden können. Im LuFo-Projekt ZEUS wird daher der Einsatz von faserverstärkten Hochleistungsthermoplasten für komplexe strukturelle Flugzeugbauteile erforscht. Anhand einer integralen Türumgebung sollen Lastpfade und fertigungstechnische Möglichkeiten optimal ausgenutzt werden, um die Türposition von bisherigen Restriktionen, wie beispielsweise der Spant-Position im Flugzeugrumpf, zu lösen. Darüber hinaus bietet der Einsatz von Thermoplasten die Möglichkeit, ebene Halbzeuge in einem Schritt umzuformen und gleichzeitig mit vorgefertigten Bauteilen stoffschlüssig zu fügen (Co-Konsolidierung). Ergänzt wird die Prozesskette durch das Overmolding mit faserverstärktem Spritzgussgranulat, was sowohl zum Ausgleich von Toleranzen, zum Füllen von strukturellen Lücken zur Minimierung von Lastspitzen als auch zur Verbesserung der Oberflächengüte genutzt werden kann. Zusätzlich können Versteifungselemente, wie beispielsweise Rippen, im selben Prozessschritt hergestellt und damit höhere geometrische Bauteilkomplexitäten ermöglicht werden. Eine solche Türumgebung kann anschließend durch Schweißen an die Flugzeughaut angebunden werden, wodurch strukturschwächende Fügeverfahren, wie das im Flugzeugbau etablierte Nieten, überflüssig werden. Durch den Einsatz einer umfangreichen Prozesssimulation werden aufwendige und materialintensive Vorversuche weitgehend vermieden und ein zusätzlicher Beitrag zur Ressourceneffizienz geleistet.

Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit werden automatisierte Herstellprozesse genutzt, die durch digitale Modellbildungen unterstützt werden. Der Prozess beginnt mit dem Tapelegen ebener, endkonturnaher Preforms, wobei eine Ablegegeschwindigkeit von deutlich über 1 m/s angestrebt wird. Diese werden anschließend in einem Infrarotstrahlerfeld aufgeschmolzen, automatisiert in die Presse verfahren und dort umgeformt. Dabei erfolgt das Co-Konsolidieren mit vorgefertigten Lasteinleitungselementen. In allen Prozessschritten werden Messdaten zu Material und Maschinen erfasst, aus denen ein digitaler Zwilling gebildet werden kann. Dieser kann zur Qualitätssicherung und -vorhersage genutzt werden. 

Das Projekt „LuFo-ZEUS“ Zero Emission aircraft with sustainable fuselage concept and technology wird aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert, Förderkennzeichen: 20W2106F.