Nachhaltiger Flugzeugbau CFK-Rumpf-Bauteil zeigt Alternative zur Aluminiumkonstruktion auf

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Bisher werden Flugzeuge meist aus Aluminium gebaut. Für eine klimaverträgliche Luftfahrt braucht es Alternativen. Dem DLR ist es nun gemeinsam mit Premium Aerotec, Airbus und Aernnova gelungen, das größte Flugzeug-Bauteil, den Rumpf, aus carbonfaserverstärktem Thermoplast herzustellen. Rund eine Tonne Gewicht lässt sich so sparen.

Der „Multifunctional Fuselage Demonstrator“ (MFFD) wurde im Rahmen des Large Passenger Aircraft Projekts des europäischen Forschungsprogramms Clean Sky-2 erarbeitet. Ziel ist es, das Rumpfgewicht um 10 Prozent und die laufenden Kosten von Flugzeugen um 20 Prozent zu senken. Wie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mitteilt, wurde das Rumpf-Bauteil vollständig aus carbonfaserverstärktem Thermoplast hergestellt. Der spezielle Kunststoff LM_PAEK mache das Bauteil schadenstoleranter und um rund eine Tonne leichter als sein Pendant aus Aluminium. Für die Fertigung und Montage wurden grundlegend neue Technologien entwickelt, heißt es. Sie sollen kosteneffiziente, ressourcenschonende Prozesse bei minimalem Energieverbrauch ermöglichen.

Drei Fertigungstechnologien zur Reife gebracht

Die Konstruktion für die thermoplastische CFK-Oberschale stammt von Premium Aerotec gemeinsam mit den Projektpartnern. Die automatisierte Fertigung und Roboterwerkzeuge wurden maßgeblich am DLR-Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP) in Augsburg entwickelt. Drei wesentliche Technologien haben die Forschenden hierbei zur Reife gebracht: die laserbasierte in-situ Faserablage, das kontinuierliche Ultraschall-Schweißen und das elektrische Widerstandsschweißen.

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Die laserbasierte in-situ Faserablage

Um die Flugzeughaut herzustellen, setzte das DLR-Team einen kopfüber hängenden Roboter ein, der die Materialstreifen per Laser punktgenau erwärmt und in Schichten abgelegt, sodass ein Laminat aus faserverstärkten Kunststoffen entsteht. Der Materialverschnitt ist minimal – ein wichtiger Aspekt für die Kostenbilanz, da CFK erheblich teurer ist als Aluminium. Zudem entfällt das anschließende Festigen im Autoklav, wie es sonst bei Flugzeug-Bauteilen aus Carbon notwendig ist. Das verkürzt die Produktionszeit um bis zu 40 Prozent und reduziert dadurch weitere Kosten.

Das kontinuierliche Ultraschall-Schweißen

Im nächsten Produktionsschritt galt es, die Außenhaut mit Längsversteifungen zu versehen. Anstatt die 44 Stringer zu vernieten, wurden sie per Ultraschall auf das Bauteil geschweißt – eine Weltneuheit. Dazu ließen die ZLPler einen Roboter an den Stringern entlangfahren, mit einer hochpräzisen automatischen Pfadkorrektur. Diese Methode ist deutlich schneller als das herkömmliche mechanische Arbeiten.

Das elektrische Widerstandsschweißen

Die dritte Technologie die das DLR-Team entwickelt hat, betrifft die Montage der Querversteifung. Die sogenannten Spante wurden per Strom erhitzt und mit Hilfe eines speziell entwickelten Werkzeugs widerstandsgeschweißt. Das Verfahren ist äußerst robust und liefert höchste Schweißfestigkeiten. Da wie auch bei den Längsversteifungen Bohrungen entfallen, bleibt die lasttragende Flugzeughaut intakt und staubfrei. Um abschließend die Längsversteifungen mit den Querbalken zu verbinden, erweiterten die Augsburger das Widerstandsschweißen. Sie kombinierten den Standardroboter mit einem kleinen Leichtbauroboter. Der nachgiebig geregelte Cobot konnte sich an den Spanten und Stringern automatisch ausrichten und die Dutzenden Verbindungselemente zielsicher und schnell verschweißen.

Validierung und Verifikation durch Airbus

Die Rumpf-Oberschale wird bis Jahresende in Stade am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) mit der Unterschale aus den Niederlanden (Projekt STUNNING) zur Rumpftonne gefügt. Die finale Validierung und Verifikation der Technologien erfolgt abschließend durch Airbus am Zentrum für angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) in Hamburg.

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