Faszination Technik Wie nachhaltiges Highspeed-Fliegen möglich wird

Redakteur: Peter Königsreuther

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: den nachhaltigen Hochgeschwindigkeits-Helikopter Racer.

Firmen zum Thema

Der nachhaltige produzierte Helikopter ist für eine Reisegeschwindigkeit von über 400 Kilometer pro Stunde ausgelegt. Durch seine hohe Geschwindigkeit ist er für den Einsatz bei Notfällen aller Art prädestiniert. Denkbar sei jedoch auch die Funktion als Flugtaxi.
Der nachhaltige produzierte Helikopter ist für eine Reisegeschwindigkeit von über 400 Kilometer pro Stunde ausgelegt. Durch seine hohe Geschwindigkeit ist er für den Einsatz bei Notfällen aller Art prädestiniert. Denkbar sei jedoch auch die Funktion als Flugtaxi.
(Bild: Airbus)

Racer ist ein Akronym für Rapid and Cost-Effective Rotorcraft. Er bringt es auf über 400 Kilometer pro Stunde und ist damit deutlich schneller als herkömmliche Hubschrauber, die eine Geschwindigkeit von etwa 230 bis 260 Kilometer pro Stunde erreichen. Zudem ist er viel leichter als ein herkömmlicher Hubschrauber.

Grund dafür ist unter anderem eine gemeinsame Entwicklung von Airbus Helicopters und Fraunhofer IGCV: ein hochautomatisiertes Fertigungsverfahren für die CFK-Schalenbauteile der Außenhaut des Helikopters. Die Decklagen seiner Seitenschalen bestehen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK), der Sandwichkern aus Phenolharzwaben. Die zu fertigenden 3,4 Meter × 1,5 Meter großen Schalensegmente bilden den hinteren rechten und linken Teil der Außenhaut (siehe Bildergalerie). Sie verbinden den Heckausleger mit dem Cockpit.

Bildergalerie

Exakte Faserlagen durch Roboterunterstützung

Bisher werden derart großformatige Sandwich-Schalen manuell im Handlegeverfahren gefertigt. Klar, dass das zeitaufwendig und entsprechend teuer ist. Um das zu ändern, haben sich Forschende am Fraunhofer-IGCV in Augsburg mit Airbus Helicopters zusammengetan, um ein Fertigungsverfahren zu entwickeln, mit dem die CFK-Schalen stark automatisiert herstellbar sind. Gefördert wird die Entwicklung im Rahmen des CleanSky 2-Programms der Europäischen Union.

Der neue Ansatz basiert jetzt auf dem sogenannten Automated-Fiber-Placement-Prozess, heißt es. Dabei legt ein Roboter endlosfaserverstärkte, mit Harzmatrix vorimprägnierte, Matten ab (unidirektionale Tapes). Die unidirektionalen Tapse bieten bessere mechanische Eigenschaften des Endproduktes und vermeiden Verschnitt.

Material nur, wo es nötig ist

Der Sandwichkern aus Phenolharzwaben macht den Verbund steif, die Decklagenfasern sorgen für die Festigkeit. Ein Klebefilm übernimmt die Krafteinleitung zwischen Kern und Decklagen.

Bevor das Material ausgehärtet wird, legt der Roboter die Fasern in ein Werkzeug ab. Er folgt dabei einem speziell entwickelten Programmablauf. Das Werkzeugkonzept wurde spezifisch für diese Prozesskette entwickelt. Dessen Oberfläche definiert die Form des Bauteils. Dabei werden die komplexen Geometrien der unterschiedlich geformten Sandwich-Taschen berücksichtigt. Die Tapes werden also exakt dort platziert, wo die Struktur des späteren Bauteils sie aus Stabilitätsgründen benötigt. Das spart wiederum Material.

Ein ordentliches Nachhaltigkeits-Potenzial

Je nach Schichtung und Fasertype ist ein per Automated Fiber Placement hergestelltes CFK-Bauteil stabiler als ein Stahl-Pendant, während es deutlich weniger wiegt. Durch das eingesparte Material reduziert sich das Gewicht der Schalensegmente um rund fünf Prozent, betonen die Forscher. Und je nach verwendetem Energiemix bei der Produktion kann der ökologische Fußabdruck damit um bis zu 15 Prozent pro Schalensegment verbessert werden.

Die Weiterentwicklung des Verfahrens bringt es außerdem mit sich, dass die Produktionsabfälle von einstmals 45 auf 20 Prozent gesenkt werden konnten. Je nachdem wie viele Helikopter hergestellt werden, winkt im Vergleich zur üblichen Methode, durch den automatischen Prozess eine beachtliche Produktionskosteneinsparung: Bei einer Produktion von 65 Helikoptern pro Jahr liegt diese beispielsweise bei 20 Prozent.

Prototypen-Erstflug im nächsten Frühjahr

Schon im August letzten Jahres wurden die beiden Seitenteile für den Prototyp des Helikopters fertiggestellt. Danach erfolgten bei Airbus die Aushärtung derselben und die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, bei der die Bauteile per Ultraschall nach potenziellen Defekten durchleuchtet wurden. Denn neuartige Kombinationen aus Materialien und/oder Fertigungsprozessen bedürften einer intensiven Überprüfung. Vor allem, wenn es um Branchen mit hohen Sicherheitsanforderungen geht.

Im Rahmen von Permit-to-flight-Tests wurden zusätzlich Kennwerte von Materialproben ermittelt und bewertet. Diese mechanischen Prüfungen braucht es für die Flugfreigabe des Demonstrators.

Die vom Fraunhofer-IGCV hergestellten Bauteile haben bestanden. Jetzt werden sie zu einem Prototyp zusammengebaut. Anfang 2022 soll der nachhaltig gefertigte Helikopter zu seinem ersten Testflug aufbrechen.

(ID:47502432)