Verbundstoff Multi Functional Fuselage Demonstrator mit Jec Innovation Award ausgezeichnet

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Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angew. Materialforschung - IFAM -

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Die Fraunhofer-Gesellschaft hat zusammen mit circa 40 internationalen Partnern im europäischen Clean Sky 2-/Clean Aviation-Programm mit dem Multi Functional Fuselage Demonstrator (MFFD) eine automatisierungsgerechte Thermoplastbauweise für Flugzeugrümpfe entwickelt. Dafür wurden sie nun mit dem „JEC Composites Innovation Award 2025“ in der Kategorie „Aerospace – Parts“ ausgezeichnet.

Mit dem „MFFD“ gelang der Fraunhofer-Gesellschaft zusammen mit Partnern im Clean Sky 2-/Clean Aviation-Projekt „Large Passenger Aircraft“ („LPA“) der weltweit erstmalige Nachweis, dass die automatisierungsgerechte Thermoplastbauweise bei Flugzeugrümpfen die Produktionseffizienz für die Hochratenproduktion steigert als auch das Gewicht reduziert und damit auch die CO₂-Emmission bis zu 540 kg pro Flug reduziert. Dabei schöpfen die im Projekt realisierten 10 Prozent Gewichtsreduktion und 10 Prozent Kostenersparnis in der Produktion bei weitem noch nicht das volle Potenzial der Kombination der neuen Bauweise mit einer automatisierten Fertigung aus.

Im Projekt automatisierte die Fraunhofer-Gesellschaft die Montage einer maßstabsgetreuen Oberschale mit einer entsprechenden Unterschale zu der 8 Meter langen Rumpfsektion des „MFFD“ mit einem Durchmesser von 4 Meter. Zudem entwickelten die Forscher die verwendeten Laserschweiß- und Spaltfüllprozesse für thermoplastische CFK-Verbindungen.

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Besondere Herausforderungen bei der Automatisierung bestanden in den trotz der Bauteilgrößen sehr hohen Genauigkeitsanforderungen sowie die hohen Fügekräfte bei limitierten Zugänglichkeiten zu beherrschen. Diese Limitierungen im Inneren des Rumpfs ergaben sich aus dem neuartigen Ansatz einer weitgehenden Vorintegration der beiden 180°-Schalen mit Struktur- und Systemkomponenten. Im Vergleich zu der aktuell nach dem Schließen des Rumpfs durchgeführten Ausrüstung der Kabinen- und Cargobereiche bringt sie erhebliche Vorteile für eine automatisierte, hochratenfähige Produktion mit sich.

Schweißtechnisches Fügen von Thermoplasten

Um kohlefaserhaltige Stäube zu vermeiden, wurden anstatt der üblichen Bohr- und Nietprozesse bereits während der Schalenausrüstung verschiedene Schweißverfahren eingesetzt, womit sich auch die Wahl der neuartigen thermoplastischen CFK-Werkstoffe begründete.

Im Ergebnis konnte die Rumpfsektionsmontage durch die präzise Positionierung der beiden Halbschalen zueinander und die individuelle Geometrieoptimierung der Oberschale automatisiert werden. Hierfür wurde sichergestellt, dass die Fügeflächen der Längsnähte am Rumpf die für die Schweißverfahren zulässigen Abstandstoleranzen verlässlich unterschritten. Die von außen während des Schweißprozesses erzeugten hohen Fügekräfte wurden im Inneren des Rumpfs durch automatisierte Druckeinheiten aufgenommen und abgeleitet, um Beschädigungen der CFK-Struktur zu vermeiden.

Erst die von einer zentralen Steuerung zeitlich und räumlich präzise koordinierte und überwachte Kopplung der zum Teil parallel und zum Teil sequenziell ablaufenden Teilprozesse des Positionierens, Zuführens zusätzlicher Fügeelemente, Erwärmens, Spaltfüllens und Andrückens garantierte perfekte Verbindungen. Dementsprechend wurde von den beiden eingesetzten Schweißverfahren, dem CO₂-Laserschweißen für die eine und dem Ultraschallschweißen für die andere Längsnaht, jeweils eine hohe Perfektion erwartet und erreicht.

Potenziale für den Flugzeugbau

Für die zukünftige Flugzeugproduktion eröffnen die erzielten Ergebnisse eine ganze Reihe neuer Optionen: Damit können vor allem leichte, thermoplastische CFK-Werkstoffe in Verbindung mit werkstoffgerechten Fügeverfahren eingesetzt werden. Anstelle der punktuellen Belastungen der bisher üblichen Nietverbindungen tritt die flächige Kraftübertragung, die gleiche Festigkeiten bei geringeren Wandstärken und damit noch weiter reduziertes Strukturgewicht bzw. höhere Treibstoffersparnis erlaubt. Die Vorintegration der Schalen vor dem Schließen des Rumpfs erleichtert eine automatisierte Prozessführung gegenüber dem Status-Quo erheblich, sodass mit Blick auf die Hochratenproduktion sowohl Zeitbedarf als auch Kosten noch weiter gesenkt werden können.

Lasertechnologie

Großvolumige Flugzeugstrukturen auf CFK-Basis verbinden

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