Schweißen Weltweit größtes CFK-Flugzeugrumpfsegment gefügt

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Fraunhofer IFAM Forschungszentrum CFK Nord

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Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Mitarbeiter der Fraunhofer-Gesellschaft haben zusammen mit internationalen Projektpartnern im von der EU geförderten Clean Sky 2-/Clean Aviation-Projekts Large Passenger Aircraft (LPA) das größte thermoplastische CFK-Flugzeugrumpfsegment der Welt hergestellt. Statt auf bisherige Nietverfahren zu setzen, wurden die CFK-Halbschalen staubfrei geschweißt.

Um Ressourcen einzusparen, werden klimafreundliche Lösungen für die Produktion und den Betrieb von Passagierflugzeugen benötigt. Neben neuen Antriebstechnologien stehen dabei auch Strukturgewicht und Herstellungsaufwand im Fokus. Beides kann durch neue Bauweisen verringert werden: thermoplastische CFK-Werkstoffe sind eine Lösung. Im von der EU geförderten Clean Sky 2-/Clean Aviation-Projekts Large Passenger Aircraft (LPA) haben die Projektbeteiligten erstmalig ein Rumpfsegment in Originalgröße aus thermoplastischen CFK-Werkstoffen hergestellt, um Machbarkeit sowie ökologische und ökonomische Vor- und Nachteile fundiert bewerten zu können.

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Nietlose Flugzeugrumpf-Bauweise spart 10 Prozent Gewicht ein

Um die zwei Längsnähte der beiden 8 Meter langen CFK-Halbschalen, die einen Durchmesser von etwa 4 Metern aufweisen, zu fügen wurden zusammen mit dem Projekt-Koordinator Airbus das CO2-Laserschweißen für die linke Längsnaht sowie das Ultraschallschweißen für die rechte Längsnaht ausgewählt. Beide Verfahren bieten den Vorteil des staubfreien Fügens, den die zurzeit verwendeten Nietverfahren nicht besitzen. Allerdings wurden sie bisher weder in der Produktion noch in der Forschung bei so großen CFK-Bauteilen und mit den hier benötigten speziellen Qualitätsanforderungen angewendet. Der Bedarf für ein staubfreies Fügen ergibt sich aus der erstmalig durchgeführten Vorintegration beider Schalen mit einer Vielzahl von ebenfalls schweißtechnisch montierten Struktur- und Systemkomponenten, die ein nachträgliches Entfernen von Staub und Spänen nicht zulässt.

Beigestellt wurde die im Autoklav unter Druck und Temperatur verfestigte (konsolidierte) Thermoplast-Unterschale aus dem LPA-Projekt Stunning von einem Konsortium aus GKN Fokker, Diehl Aviation, Netherlands Aerospace Centre – NLR und Technische Universität Delft. Die thermoplastische, mittels Tape-Legeverfahren (in-situ-Konsolidierung) hergestellte Oberschale stammt von einem Konsortium aus Premium Aerotec, Airbus, Aernnova und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – DLR ZLP.

Verbesserte Treibstoffeffizienz im Betrieb

Beide Schalen beeindrucken insbesondere aufgrund des hohen Grads der Vorintegration, der weitgehend nietlosen Bauweise und der hierdurch erzielten Gewichtsreduktion von 10 Prozent gegenüber dem Status quo. Dabei eröffnet einerseits die automatisierte Vorintegration eine hohe Effizienzsteigerung und örtliche Flexibilität mit Blick auf eine Hochratenproduktion bei gleichzeitiger Kostenersparnis von bis zu 10 Prozent, weil nicht mehr wie bisher alle Bauteile in den geschlossenen Rumpf gebracht und dort unter beengten Verhältnissen manuell montiert werden müssen. Andererseits führt die Gewichtsreduktion der Flugzeugstruktur zu einer verbesserten Treibstoffeffizienz im Betrieb.

Zehn Hexapod-Robotern positionieren CFK-Halbschalen submillimetergenau

Zusammen mit dem Partner FFT Produktionssysteme hat die Fraunhofer-Gesellschaft am Forschungszentrum CFK Nord in Stade in dem LPA-Projekt Multifunctional automation system for Fuselage Assembly Line (MultiFAL) die automatisierte Montage-Forschungsplattform für den MFFD inklusive der zentralen Anlagen- und Prozesssteuerung entworfen und errichtet. Andere Projektpartner haben danach ihre Technologiebausteine in die Plattform integriert.

Zu den weiteren Aufgaben von Fraunhofer entlang der Prozesskette gehörte zunächst das Einrüsten der Unterschale mittels einer eigens entwickelten Aufnahme, welche es erlaubte, die Unterschale für die Folgeprozesse hochgenau im Montageraum auszurichten. Danach erfolgte das Einbringen der Oberschale mit dem Hallenkran. Alle weiteren Prozessschritte liefen vollständig automatisiert ab. Das submillimetergenaue Positionieren der beiden Schalen zueinander übernahm ein Feld von zehn Hexapod-Robotern, die mithilfe von Laser-Sensoren jederzeit die optimale Form und Lage der Schalen einstellten und bei Bedarf nachjustierten.

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Strap-Handling-Werkzeug positioniert CFK-Streifen exakt auf der Naht

Für den Laserschweißprozess waren dünne, bis zu 4,5 Meter lange Streifen (Butt-Straps) aus thermoplastischem CFK lagenweise und bündig neben- als auch übereinander abzulegen auf die exakt aufeinanderstoßenden, zur Flugzeugaußenseite hin mit einer Stufenschäftung versehenen Längsränder der Schalen. Im Ergebnis wurden die von Fraunhofer gefertigten Straps mit einem in die automatisierte Prozessumgebung integrierten Strap-Handling-Werkzeug durch eine Abrollbewegung exakt auf der Naht positioniert. Damit konnte der über Spiegel gelenkte, oszillierende Laserstrahl des unmittelbar folgenden Schweißkopfs kontinuierlich die sich ausbildenden Kontaktlinien von Strap zur Schalenoberfläche aufschmelzen. Eine Druckeinheit am Laserschweiß-Endeffektor presste dabei den Strap mit Fügekräften bis zu einer Tonne gegen die oberen und unteren Schalenfügestellen und konsolidierte so die Schweißnaht im selben Arbeitsgang. Damit die hohen Andruckkräfte beim Schweißen nicht zu einer Beschädigung der Rumpfstruktur führten, lief innerhalb der entstehenden Rumpfsektion synchron eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme und -ableitung mit.

Im Laserschweißprozess wurde eine Online-Monitor- und Kontroll-System implementiert. Dieses ermöglicht einen unmittelbaren digitalen Datenaustausch für die Prozessoptimierung und Qualitätssicherung mit einem Digitalen Zwilling.

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Thermoplastfüller schließt Spalte zwischen Straps

Weil die Straps und die stufenförmig gestalteten Fügezonen der Schalen aufgrund unvermeidlicher Herstellungstoleranzen und für die Positionierprozesse benötigter Freiheitsgrade nicht lückenlos aneinander anschließen konnten, blieben zwischen ihnen kleine, unregelmäßig breite Spalte (Gaps). Diese würden die Qualität der Schweißverbindungen beeinträchtigen und waren deshalb nach dem Schweißprozess vollständig mit einem sogenannten Thermoplastfüller zu schließen, wobei ein Materialüberschuss unbedingt zu vermeiden war.

Ein kompakter Extruder, der – wie der Laserschweiß-Endeffektor – entlang der zuvor erzeugten Verbindungsnähte geführt wurde, erwärmte das Ausgangsgranulat und förderte es über eine Schnecke zum Spalt. Dort sorgte eine spezielle Düse dafür, dass das Material den Spalt füllte, bevor es an der Luft aushärtete. Das für die genaue Füllmenge ausschlaggebende lokale Spaltvolumen wurde unmittelbar vorher von einem in denselben Gap-Filling-Endeffektor integrierten, auf den offenen Spalt gerichteten 2D-Sensor gemessen und an das Extrudersystem übertragen. Damit ließ sich die lokal benötigte Austragleistung während des laufenden Prozesses dynamisch berechnen, sodass unregelmäßige Spalte von 3 bis 20 Millimeter Breite an jeder Stelle mit der exakt erforderlichen geschmolzenen Thermoplastmaterial-Menge gefüllt wurden.

Ultraschallschweißen für dünnwandigeren Rumpfnahtabschnitte

Als Fügemethode für die rechte Längsnaht wurde das automatisierte Ultraschallschweißen ausgewählt. Im Vergleich zum Laserschweißen können damit nur die dünnwandigeren Rumpfnahtabschnitte außerhalb der Türumgebungen verbunden werden. Der Aufwand ist hierbei hinsichtlich Synchronisation parallellaufender Prozesse, Investitionen und Arbeitssicherheit geringer. Aus der Zusammenarbeit der für die Forschungsplattform zuständigen Fraunhofer-Gesellschaft mit dem LPA-Projekt Welding Equipment for optimized, fast and accurate LongituDinal barrEl joint closuRe (Welder) der Partner CT Engineering Group, AIMEN, AITIIP und Dukane ist ein schneller und verlässlicher, automatisierter Ultrasschall-Schweißprozess für die Längsnaht hervorgegangen. Auch hier ermöglichen Online-Monitor- und Kontroll-Systems den digitalen Datenaustausch für die Prozessoptimierung und Qualitätssicherung mit einem Digitalen Zwilling.

Finalisiert wird die bereits ausgekrante thermoplastische Rumpfsektion u.a. mit der Einrüstung eines Kabinendeckenmoduls am Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) in Hamburg, wo sie danach für weitere Tests und für Demonstrationszwecke genutzt wird.

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