Suchen

Kriechformverfahren

IWS-Ingenieure formen moderne Leichtbau-Teile für Flugzeuge

| Redakteur: Lilli Bähr

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein Verfahren weiterentwickelt, um moderne Leichtbau-Teile für Flugzeuge zu schweißen und zu formen.

Firmen zum Thema

Mit dem neu entwickelten Kriechformverfahren der IWS sollen sich leichtere Flugzeuge herstellen lassen.
Mit dem neu entwickelten Kriechformverfahren der IWS sollen sich leichtere Flugzeuge herstellen lassen.
( Bild: Fraunhofer IWS )

Um komplex geformte und großformatige Bauteile aus besonders leichten Aluminiumlegierungen herzustellen, kombinieren die IWS-Experten zwei Verfahren: das Rührreibschweißen (englisch: friction stir welding = FSW), bei dem ein rotierendes Werkzeug durch seine Reibung am Werkstoff für die nötige Hitze beim Schweißen sorgt, und das sogenannte Kriechformverfahren. „Diese Entwicklung ebnet den Weg zu leichteren Flugzeugen, die weniger Kerosin verbrauchen beziehungsweise mehr Passagiere und Nutzlast transportieren können und zudem kostengünstig gefertigt werden können“, schätzt Dr. Jens Standfuß ein, der das Projekt koordiniert und am IWS das Geschäftsfeld Fügen leitet.

Entwicklung ist wichtig für die Luftfahrtindustrie

Das ist für die Luftfahrtindustie besonders wichtig. Denn wer über leichte, wartungsarme und kostengünstige Flugzeuge mit geringerem Kraftstoffverbrauch und mehr Nutzlast verfügt, hat einen Wettbewerbsvorteil gegenüber der Konkurrenz. Außerdem schont ein sparsamer Material- und Kerosinverbrauch auch die Umwelt. Dazu muss man wissen, dass Industrie und Forscher auf verschiedenen Wegen versuchen, das Gewicht von Flugzeugteilen zu reduzieren. Einige setzen dabei auf Karbon und diverse Faserverbundstoffe. Andere wollen mit verbesserten Metall-Legierungen die Außenhaut der Flugzeuge leichter machen. Solche Materialien sollen sich allerdings auch für eine industrielle Fertigung in größeren Stückzahlen eignen. Zusätzlich müssen sie im Betrieb eine hohe Schadenstoleranz aufweisen – ein „kleiner“ Riss darf nicht zum kompletten Strukturversagen führen.

SEMINARTIPP Das Seminar „Leichtbauwerkstoffe in der Konstruktion“ vermittelt Methoden, Gestaltungsprinzipien und Bauweisen für Leichtbaukonstruktionen. Die Teilnehmer erhalten einen Überblick zu verschiedenen Leichtbauwerkstoffen, lernen Kriterien für die Werkstoffauswahl kennen und erfahren, welche Vor- und Nachteile sowie Risiken die verschiedenen Werkstoffe mit sich bringen.
Weitere Informationen

Druckkammer muss Passagiere zuverlässig schützen

Vor allem aber müssen diese Materialien später im jahrelangen Praxiseinsatz in großer Höhe die erheblichen Temperatur- und Druckunterschiede sowie korrosiven Beanspruchungen zwischen der eisigen Atmosphäre außerhalb und innerhalb der Passagierkabine aushalten. Diese Kabine ist letztlich ein großer beheizter Druckbehälter zum Schutz der Passagiere: In der dünnen, kalten Luft in zehn Kilometern Höhe muss ein künstlicher Überdruck erzeugt werden, damit Menschen diese Reise überhaupt überstehen. Nur ausgewählte Materialien sind dafür geeignet.

Zu diesen Werkstoffen gehört auch eine spezielle metallische Verbindung aus Aluminium, Magnesium und Scandium. Diese in der Fachwelt „AA5024 AlMgSc“ genannte Legierung wollen Flugzeugbauer in naher Zukunft für die Rumpfstrukturen von Passagiermaschinen verwenden. Denn „AA5024“ ist laut Institut ähnlich fest wie bisher in der Luftfahrt eingesetzte Aluminium-Legierungen, aber etwa 5 % leichter und korrosionsbeständiger. „Das klingt nach wenig“, räumt Jens Standfuß ein. „Aber an Bord eines Flugzeugs zählt jedes Kilogramm.“ Das Problem ist nur: Mit herkömmlichen Verfahren lässt sich dieser Werkstoff nicht fehlerfrei in die – in zwei Dimensionen gebogene – sphärische Form bringen, die benötigt wird, um aus ebenen Blechen große Strukturen für zukünftige Flugzeuge zusammenzusetzen.

Der Werkstoff gewöhnt sich an die neue Form

„Die Industrie verwendet heute meist das Streckziehen, um Bauteile sphärisch zu formen“, erläutert Jens Standfuß die Ausgangslage. „Dafür werden sehr große Maschinen benötigt, die das Bauteil in verschiedene Richtungen ziehen.“ An der vielversprechenden Alu-Legierung AA5024 versage diese industrielle Streckbank aber. Das Bundeswirtschaftsministerium unterstützte daher im Zuge seines „Luftfahrtforschungsprogramms“ (LuFo) die Ingenieure von Airbus und Fraunhofer dabei, eine Lösung für dieses Problem zu finden.

In diesem Zuge entwickelte das IWS-Team ein Kriechformverfahren. Dabei wird das geschweißte Blech auf eine Musterform gelegt und an den Rändern luftdicht arretiert. Dann erwärmen die Ingenieure die Alu-Legierung mit Heizmatten und erzeugen gleichzeitig einen Unterdruck in der Musterform. Dieser Unterdruck zieht das Blech in die Tiefe, die Hitze soll die Verformbarkeit garantieren. Nach einer gewissen Zeit „kriecht“ der Werkstoff, wie der Fachmann sagt: „Die Spannungen bauen sich ab und das Blech ‚relaxiert‘, das heißt, es ‚gewöhnt’ sich gewissermaßen an seine neue Form“, erklärt Standfuß. „Aus der zunächst nur elastischen Verformung wird eine plastische.“ Auf diese Art und Weise sollen sich perspektivisch sphärische Strukturen kostengünstig fertigen lassen.

Kriechformverfahren - weniger Energie, weniger Abfall und höhere Präzision

Diese spezielle Version des Kriechformverfahrens sei weltweit einzigartig – und für einige Anwendungsfelder nahezu alternativlos, betont Jens Standfuß: Dadurch werde es überhaupt erst möglich, Aluminium-Magnesium-Scandium-Bleche fehlerfrei zu einem Flugzeug-Segment zu formen. Einige Zusatzvorteile: Die Kriechform-Anlagen brauchen in den Werkhallen weniger Platz als die „Streckbänke“. Auch soll das neue Verfahren weniger Energie verbrauchen, weniger Abfall erzeugen und soll präziser sein.

Die wissenschaftlichen Grundlagen und die praktische Anwendbarkeit für das Verfahren hat unter anderem der IWS-Wissenschaftler Frieder Zimmermann in Versuchsreihen untersucht. Er wies nach, dass selbst bereits geschweißte Formteile aus dieser Legierung auf diese Weise zuverlässig umgeformt werden können. Gerade dies hat in der industriellen Praxis besondere Bedeutung, weil viele Bauteile erst zusammengeschweißt und danach umgeformt werden müssen – und dabei dürfen die Schweißnähte natürlich nicht versagen.

Nach den ersten Experimenten mit Probe-Blechen wollen die Fraunhofer-Ingenieure das Verfahren im nächsten Schritt mit „Realbauteilen“ testen: also Segmenten, wie sie tatsächlich im Flugzeug verbaut werden. Bis die ersten Flugzeuge aus dem neuen Leichtbaumaterial abheben, wird allerdings noch etwas Zeit vergehen.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 45420073)