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Faserverbundwerkstoff

Bugrad für Airbus A320 bald aus CFK

| Redakteur: Dorothee Quitter

Seit 30 Jahren gibt es bei Flugzeugrädern und den verwendeten Materialien sowie ihrer prinzipiellen Bauweise keine bedeutende Weiterentwicklung. Das ändert sich jetzt.

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Das Fraunhofer LBF entwickelt ein CFK-Bugrad für einen Airbus A320. Für die optimale Leichtbaustruktur werden verschiedene Konzepte untersucht und bewertet.
Das Fraunhofer LBF entwickelt ein CFK-Bugrad für einen Airbus A320. Für die optimale Leichtbaustruktur werden verschiedene Konzepte untersucht und bewertet.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an Verbundwerkstoffen bei 22 %, beim modernen A350 XWB sind es bereits über 50 %. Hier bestehen große Teile des Rumpfes und der Tragwerke aus dem ultraleichten CFK. Nur bei den Flugzeugrädern hat sich seit mehr als 30 Jahren wenig in Richtung Leichtbau bewegt. Um dieses Innovationsfeld zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt das EU-Forschungsvorhaben „Development of a composite wheel” gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 % aufzeigen.

Konzepte untersuchen und bewerten

Während des Start-, Lande-, und Rollvorgangs treten hohe statische, dynamische und thermische Beanspruchungen auf, die Flugzeugräder zuverlässig ertragen müssen. Bei herkömmlichen Modellen handelt es sich meist um Aluminiumschmiedekomponenten, die bis zu 100 kg wiegen können. Vor diesem Hintergrund stehen für die Darmstädter Wissenschaftler am Anfang des Entwicklungsprozesses für ein leichtes CFK-Bugrad zunächst die Definitionsphase und damit das Zusammentragen aller wichtigen Anforderungen. Dazu gehören unter anderem die Schnittstellen zum Reifen und zur Lagerung, die Bauraumspezifikationen und auftretende Beanspruchungen.

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Anders als bei PKW-Rädern werden Flugzeugräder über eine Kegelrollenlageranordnung auf der Fahrwerksachse positioniert. Zudem werdenFlugzeugräder mehrteilig ausgeführt, um die Montage des vergleichsweise steifen Reifens zu ermöglichen. Obwohl Bugräder im Gegensatz zu Hauptfahrwerksrädern nicht abgebremst werden, stellt sich der gebremste Rollvorgang als kritischer Lastfall für das Bugrad heraus. Aufgrund des hohen Bremsmoments am Hauptfahrwerk entstehen am Bugfahrwerk Abstützkräfte von bis zu 16 t pro Bugrad.

Tipp: Anwendertreff Leichtbau Auf dem Anwendertreff Leichtbau, der vom 4. bis 5. Dezember 2018 in Würzburg stattfindet, können sich Teilnehmer über den Material-, Struktur- und Fertigungsleichtbau informieren. Im Mittelpunkt dieses Jahr steht unter anderem die Topologieoptimierung, die Additive Fertigung und Verbundwerkstoffe.
Mehr Informationen: Anwendertreff Leichtbau

Den zweiten Schritt im Entwicklungsprozess bildet die Kon-zeptentwicklung. Für die Konzeptfindung einer optimalen Leichtbaustruktur untersuchen die Wissenschaftler dafür prinzipielle geometrische Konzepte und bewerten diese bezüglich ihrer Steifigkeit gegenüber den Belastungen Radiallast, seitliche Last, Reifendruck und überlagerten Lastfällen. Eine Topologieoptimierung des Systems bestätigt anschließend das Ergebnis.

Zehn Prototypen des Bugrades geplant

Bei der Entwicklung von Bauteilen aus Faserverbund ist eine Auseinandersetzung mit den möglichen Herstellverfahren und Materialien schon früh im Entwicklungsprozess wichtig, da diese entscheidende Fertigungsgrenzen mit sich bringen. „Für die Herstellung des Flugzeugrads streben wir das Resign Tranfer Molding (RTM) an. Dieses Verfahren bietet viele Vorteile hinsichtlich einer möglichen automatisierten Fertigung, der Erzeugung komplexer Bauteilgeometrien und der Realisierung hoher Laminatqualitäten“, erklärt Jens-David Wacker, der das Forschungsprojekt am Fraunhofer LBF leitet.

Im Projekt sollen insgesamt zehn Prototypen des Flugzeugrads hergestellt werden. Zur Verifizierung der Bauteilauslegung wird das Fraunhofer LBF die Prototypen unter den für ein Flugzeugrad vorgesehenen Zertifizierungsversuchen testen. (qui)

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