Verbundstoff Triebwerk aus Faserverbundkunststoff automatisiert herstellen

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Faserverbundkunststoffe (FVK) mit harzbasierter Matrix werden häufig im Triebwerkbau für Flugzeuge, den so genannten Fanblades, eingesetzt. Doch die Herstellung ist sehr zeitaufwendig und teuer. Damit es schneller und günstiger geht, wollen Forscher die Fertigung weiter automatisieren.

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Am Fraunhofer IPT gefertigte FVK-Fan-Schaufel. Das Design ist angelehnt an eine GE90-Fan-Schaufel.
Am Fraunhofer IPT gefertigte FVK-Fan-Schaufel. Das Design ist angelehnt an eine GE90-Fan-Schaufel.
(Bild: Fraunhofer IPT)

Die Herstellung vieler Bauteile aus FVK, bei denen der Werkstoff in dünnen Schichten aufeinandergelegt wird, geschieht teilweise automatisiert. In der Luftfahrtindustrie werden als Werkstoffe meist vorimpregnierte Halbzeuge – sogenannte Prepregs – aus faserverstärktem Epoxidharz eingesetzt.

Unter Druck und Wärme werden diese in einem energie-, kosten- und zeitintensiven Autoklav-Härteprozess ausgehärtet. Um es noch kostengünstiger zu gestalten, erforscht ein Team am Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen, wie die Fertigung von Blades aus Faserverbundkunststoffen noch weiter automatisiert werden kann.

Im Fokus: kohlefaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe

Dabei setzen die Forscher nicht wie üblich auf Epoxidharz-basierte Werkstoffe, sondern auf kohlefaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe. Demnach verfüge der faserverstärkte Thermoplast über gute Leichtbaueigenschaften bei gleichzeitig gutem Impact-Verhalten. Zudem lässt er sich laut Forscherteam gegenüber Epoxidharz-basierten Materialien schneller und flexibler automatisiert verarbeiten. „Er ist bei Erwärmung formbar und lässt sich beim Umformen nachkonsolidieren. Nach der Abkühlung nimmt der Thermoplast wieder seine ursprünglichen Materialeigenschaften an“, erklärt Dr.-Ing. Henning Janssen, Leiter der Abteilung Faserverbund- und Lasersystemtechnik am Fraunhofer IPT.

Zum Vergleich: Ein harzbasierter Duroplast erhält erst unter Wärmeeinfluss in einem langwierigen chemischen Prozess die gewünschten Eigenschaften. Daher würden sich thermoplastische FVK wesentlich besser für effiziente Verarbeitungsprozesse eignen, so der Forscher. Dr.-Ing. Janssen ist gemeinsam mit seinem Team in mehreren Versuchsreihen nun erstmals gelungen, zwei solcher Prozesse für die Fan-Blade Fertigung miteinander zu verknüpfen: das vollautomatisierte Tapelegen und das Umformen.

Flexible Prozesskette: automatisiertes Tapelegen und Thermoforming

Mit einer vollautomatisierten Tapelege-Anlage, einer in Lizenz kommerzialisierten Eigenentwicklung des Fraunhofer IPT, werden unidirektional verstärkte Thermoplast-Tapes abgelegt und entsprechend der später geforderten Belastungsrichtung übereinandergeschichtet.

Auf diese Weise entsteht eine mehrschichtige, hochbelastbare und flexible Platte, ein sogenanntes Organoblech. Die Forscher überwachen und dokumentieren jeden Schritt des vollständig automatisierten Prozesses mithilfe verschiedener Sensoren. Auf diese Weise können sie während des Prozesses in die „Black Box“ der Fertigung schauen und einen sogenannten „Digitalen Schatten“ für jedes Organoblech erstellen. Dieses virtuelle Abbild des realen Organoblechs erlaubt es, Qualitätsabweichungen frühzeitig zu erkennen und entsprechend gegenzusteuern.

In der vollautomatisierten Tapelege-Anlage werden unidirektional verstärkte Thermoplast-Tapes abgelegt und entsprechend der später geforderten Belastungsrichtung übereinandergeschichtet.
In der vollautomatisierten Tapelege-Anlage werden unidirektional verstärkte Thermoplast-Tapes abgelegt und entsprechend der später geforderten Belastungsrichtung übereinandergeschichtet.
(Bild: Fraunhofer IPT)

Im nächsten Fertigungschritt wird das Organoblech erwärmt und in einem Umformprozess endkonturnah geformt. Dieser Prozess wird als Thermoforming bezeichnet. Der Prozess wurde in den bisherigen Versuchsreihen zunächst an 16 Millimeter dicken, gewebeverstärkten Organoblechen aus PA12 und Kohlefasern getestet und soll bald auf Organobleche aus PEEK und Kohlefasertapes übertragen werden.

Versuchsreihen zum Fräsen von FVK-Bauteilen

Nach dem Thermoforming werden die Kanten des umgeformten Organoblechs getrimmt in die finale Form gefräst. Die heterogene Materialstruktur des FVK machen das Fräsen schwierig: Besonders Kohlenstofffasern wirken auf die Schneidkante des Fräswerkzeuges stark abrasiv und führen daher zu starkem Werkzeugverschleiß und zu einer schwankenden Bearbeitungsqualität.

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Eine Möglichkeit zur Verlängerung der Werkzeugstandzeit, so das Fazit des Forscherteams nach zahlreichen Versuchsreihen, ist der Einsatz von Fräswerkzeugen, die mit polykristallinem Diamant (PKD) beschichtet sind. Während ihrer Versuche zur Bearbeitung der FVK-Blades im verkleinerten Maßstab fanden die Forscher heraus, dass die Standzeit der PKD-beschichteten Fräswerkzeuge deutlich länger ist als die unbeschichteter Werkzeuge. Darüber hinaus hatte eine individuell abgestimmte Auslegung der Frässstrategie einen positiven Einfluss auf die Bearbeitungsqualität.

Verfahren in verschiedenen industriellen Anwendungen testen

Die ersten Ergebnisse mit dem Verbundmaterial sind vielversprechend: „Wir konnten zeigen, dass die verketteten Fertigungsprozesse – Herstellung und Endbearbeitung von FVK-Blades – funktionieren. Sowohl in radialer Schaufelrichtung als auch zwischen Vorder- und Hinterkante der Schaufeln konnten wir sehr gute Oberflächenqualitäten erzielen“, sagt Daniel Heinen, Leiter des Geschäftsfelds Turbomaschinen am Fraunhofer IPT.

In Forschungsprojekte soll das neue Verfahren weiter optimiert und in verschiedenen industriellen Anwendungen untersucht werden. Besonders haben die Aachener Wissenschaftler die Verwendung des Hochleistungsthermoplasten PEEK und das Einlaminieren von Sensortechnik im Inneren des Organoblechs im Blick. Letzteres würde nicht nur die Überwachung der Herstellungsprozesse, sondern auch des Bauteilzustands während der späteren Verwendung im Triebwerk ermöglichen.

Zudem soll die Prozesskette auch auf weitere Komponenten angewendet werden, beispielsweise auf Statoren und Gondelbauteile sowie Bauteile außerhalb der Luftfahrtindustrie. Das Fraunhofer IPT freut sich über interessierte Unternehmen, die an den Projekten teilnehmen möchten.

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