Leichtbau Nachhaltige Leichtbau-Lösungen für Flugzeugkabinen

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

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Im Projekt „STair“ entwickeln Diehl Aviation, Ensinger, ThermHex und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS neue thermoplastische Leichtbau-Teile für Flugzeugkabinen, die schneller verarbeitet werden können und umweltfreundlicher sind.

Leichtbau-Lösungen sind für die Luftfahrt essenziell. Jedes eingesparte Kilogramm an Gewicht spart Treibstoff und damit Emissionen. Das hilft einerseits, die eigenen Nachhaltigkeitsziele zu erreichen, und minimiert andererseits die Folgen der steigenden CO2-Bepreisung. So kommen in der Kabine für Elemente wie Gepäckfächer oder die Wände der Bordküchen häufig Bauteile in Sandwich-Bauweise zum Einsatz: dünne, feste Deckplatten umschließen einen leichten Kern. Das macht robuste und zugleich sehr leichte Konstruktionen möglich. Derzeit dominieren dabei duroplastische Bauteile mit Phenolharz-basierten Decklagen und einem Wabenkern aus Aramidpapier.

Forscher am Fraunhofer IMWS haben nun die Thermoplastic Sandwich Moulding-Technologie entwickelt. Diese Technologie ermöglicht nun auch thermoplastische Kunststoffe für solche Anwendungen zu nutzen. Den Nachweis wollen die Diehl Aviation Laupheim GmbH, die Ensinger GmbH, die ThermHex Waben GmbH und das Fraunhofer IMWS bis April 2027 im Projekt „STair“ liefern. „Die Vorteile wären erheblich: Thermoplastische Systeme lassen sich deutlich schneller verarbeiten, zudem mit besserer Energie- und Materialeffizienz. Das ist insbesondere bei der Kabine relevant, die im Laufe des Lebenszyklus eines Flugzeugs mehrfach erneuert wird. Sie sind außerdem recycelbar und kommen ohne umweltschädliche Lösungsmittel aus“, sagt Dr.-Ing. Ralf Schlimper, der das Teilprojekt am Fraunhofer IMWS leitet.

30 Prozent Energie einsparen gegenüber duroplastischen Kunststoffen

Die angestrebte Energie-Einsparung bei der Verarbeitung liegt bei rund 30 Prozent gegenüber dem Stand der Technik und der Verwendung duroplastischer Kunststoffe. Produktionsabfälle sollen mit bis zu 80 Prozent in der Halbzeugherstellung direkt wiederverwertet werden können. Die Emissionen durch Lösungsmittel während der Produktion sollen um bis zu 80 Prozent sinken.

Um diese Ergebnisse möglich zu machen, gilt es zunächst, die Thermoplastic Sandwich Moulding-Technologie auf die Verarbeitung von hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Sandwichstrukturen (HT-TP-Sandwich) anzupassen, die speziell für die Anforderungen der Luftfahrtindustrie konzipiert sind. Die Methode stellt einen sehr effizienten und hoch automatisierten One-Shot-Prozess aus Thermoformen und Funktionalisieren per Spritzguss dar. Die entsprechenden Prozessschritte (Formgebung, Fügen und Funktionalisierung) müssen jedoch für den Einsatz von HT-Thermoplastkunststoffen weiterentwickelt werden.

Bauteile höchstens so schwer wie duroplastische Lösungen

„Wir werden dafür verschiedene Bauteile aus der Kabine betrachten, zunächst Anforderungen definieren und dann die entsprechenden Lösungen für Halbzeuge, Mustermaterialien, attraktive Optik der Bauteile sowie Umform- und Verarbeitungsprozesse entlang verschiedener Prozessrouten entwickeln und erproben. Ziel ist der Aufbau einer Technologieplattform, auch unter Nutzung von Simulations-Tools. Die Bauteile sollen höchstens so schwer sein wie aktuelle duroplastische Lösungen und alle bestehenden Luftfahrtanforderungen erfüllen, damit die Ergebnisse schnell in den Markt überführt werden können. Nicht zuletzt nehmen wir begleitende Lebenszyklusanalysen und Recyclingkonzepte in den Blick“, sagt Schlimper.

Am Fraunhofer IMWS steht dabei vor allem die Erforschung effizienter Thermoformprozesse im Fokus. HT-Halbzeuge (ebene Sandwich-Platten mit thermoplastischem Waben- oder Schaumkern sowie mit Deckschichten aus faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen) sollen zu 3D-geformten Bauteilen und Bauteilkomponenten verarbeitet werden. Sie werden dazu zunächst aufgeheizt und dann zügig ins Formgebungswerkzeug überführt, das im Projekt zu entwickeln ist. Dort erfolgt das 3D-Thermoformen bei Temperaturen von mehr als 200°C. Eine Herausforderung ist neben der hohen Temperatur das komplexe Verarbeitungsverhalten. Größtenteils soll der leichte Kern in der Fläche erhalten werden, zugleich sollen an Bauteilrändern monolithisch auslaufende Bereiche realisiert werden, die ein komplettes Aufschmelzen und Verpressen des Kerns erfordern. Untersucht werden im Projekt auch Hybrid-Sandwichstrukturen mit einem kombinierten Kern (z.B. Wabenkern in der Fläche und Schaumkern in geometrisch komplexeren Bauteilregionen). Dabei werden Verarbeitungsverfahren und die Untersuchung des Materialverhaltens noch komplexer.

„Wir haben für dieses Verfahren großes Vorwissen, auch zu unterstützenden Modellierungsansätzen, und die passende technische Ausstattung. So können wir Aspekte wie Bauteilgeometrie, Rand- und Kantenabschlüsse sowie Schnittstellen zu Funktionselementen systematisch untersuchen“, sagt Schlimper. Auch für die Analyse des Einsatz- und Langzeitverhaltens verfüge das Institut über passende Methoden wie Dehnungsmessungen, morphologische Untersuchungen mit Röntgen-CT und beschleunigte Alterungstests. Zudem wird das Projektteam die Möglichkeiten des stofflichen Recyclings erforschen, etwa die Eigenschaften von Bauteilen, in denen Rezyklate aus Verschnittresten enthalten sind.

Nachhaltigere Lösungen für Kabinenbauteile in Flugzeugen

Sind die Projektpartner erfolgreich, werden deutlich nachhaltigere Lösungen für Kabinenbauteile in Flugzeugen möglich. „Mit unserem Ansatz lassen sich Emissionen sowohl während der Herstellung als auch nach dem Ende des Lebenszyklus erheblich reduzieren, zugleich werden die ästhetischen und funktionalen Anforderungen erfüllt“, sagt Schlimper. „Ein großer Vorteil dabei ist, dass in unserer Zusammenarbeit alle Aspekte der Wertschöpfungskette von der Materialherstellung bis zur Bauteilherstellung abgedeckt sind. Das verspricht gute Erfolgsaussichten.“

Dr.-Ing. Jochen Pflug, Geschäftsführer der ThermHex Waben GmbH: „Schritt für Schritt überführen wir unsere recycelbaren leichten thermoplastischen Waben-Sandwichmaterialien mit ‚STair‘ von der Automobil- zur Luft- und Raumfahrtindustrie. Wir verbinden dabei die Möglichkeiten für Kostensenkungen und Produktionsautomatisierung erfolgreich mit den erforderlichen Leistungszielen der Branche. Ich bin begeistert und dankbar für die Möglichkeit, unsere Produkte gemeinsam mit starken Partnern weiterzuentwickeln.“

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo Klima VII-1) gefördert.

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