FASERVERBUNDLEICHTBAU FÜR FLUGZEUGSTRUKTUREN

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1 FASERVERBUNDLEICHTBAU FÜR FLUGZEUGSTRUKTUREN Prof. Dr. rer. nat. habil. Gerhard Busse Prof. Dr.-Ing. Peter Middendorf Institut für Flugzeugbau Universität Stuttgart

2 Übersicht 1. Einführung Faserverbundleichtbau 2. Stand der Technik: FKV für Flugzeugstrukturen 3. Entwicklungstrends 4. Qualitätssicherung: Zerstörungsfreie Prüfung 5. Zusammenfassung 2

3 Übersicht 1. Einführung Faserverbundleichtbau 2. Stand der Technik: FKV für Flugzeugstrukturen 3. Entwicklungstrends 4. Qualitätssicherung: Zerstörungsfreie Prüfung 5. Zusammenfassung 3

4 Faserverstärkungs-Prinzip im Bauwesen Baustelle: Stahlbeton

5 Vergleich: Die C-Faser ist nicht haarfein, sondern viel feiner (Quelle: Wikipedia). Kohlenstoffaser Haar

6 Übersicht 1. Einführung Faserverbundleichtbau Eigenschaften der C-Faser 2. Stand der Technik: FKV für Flugzeugstrukturen 3. Entwicklungstrends 4. Qualitätssicherung: Zerstörungsfreie Prüfung 5. Zusammenfassung 6

7 Höchste Kennwerte der häufigsten Verstärkungsfasern [Göschel 2008]

8 Warum ist die Kohlenstofffaser so gut? Ideale Graphitstruktur einer C-Faser [Ehbing 2006] =36 GPa =1050 GPa

9 Höchste Kennwerte der häufigsten Verstärkungsfasern [Göschel 2008]

10 Leichtbaupotenzial von Faserverbundwerkstoffen Spezifische Zugfestigkeit [GPa / g cm³] Kohlefasern / Thermoplaste HT Glasfasern / Epoxidharz Kohlefasern / Epoxidharz HM Glasfasern / Thermoplaste Stahl Aluminium GMT ( langfaserverstärkt ) Reisslänge (km) Spezifischer E-Modul [GPa / g cm³] 10

11 Übersicht 1. Einführung Faserverbundleichtbau Herstellung des Verbundes 2. Stand der Technik: FKV für Flugzeugstrukturen 3. Entwicklungstrends 4. Qualitätssicherung: Zerstörungsfreie Prüfung 5. Zusammenfassung 11

12 Institut für Flugzeugbau Faserkunststoffverbund (FKV)

13 Institut für Flugzeugbau Kohlenstofffasern und Rovings P

14 Herstellung von Faserverbundwerkstoffen Verstärkungsfasern Fertigungsverfahren Matrixsysteme z.b. Kohlenstoff, Glas, Aramid z.b. Autoklavtechnik, Injektionsverfahren z.b. Duroplaste, Thermoplaste 1. Fasermaterial in Kavität einlegen 2. Kavität schließen 3. Harz/Härter Gemisch injizieren 4. Aushärten und Entnahme Festigkeit, Steifigkeit Konsolidierung, Aushärtung Schutz, Fixierung, Stützung der Fasern Hochleistungs- Faserverbundstruktur 14

15 Übersicht 1. Einführung Faserverbundleichtbau Eigenschaften des Verbundes 2. Stand der Technik: FKV für Flugzeugstrukturen 3. Entwicklungstrends 4. Qualitätssicherung: Zerstörungsfreie Prüfung 5. Zusammenfassung 15

16 Faserkunststoffverbund (FKV)

17 Eigenschaften des Systems: z.b. aus Mischungsregeln (Tsai-Halpin)

18 α E = E F + (1- ) E M α = 0 Grad 1/ E = 1/ E F + (1- ) 1/ E M α = 90 Grad Mischungsregeln (Tsai-Halpin) [Ehbing 2008]

19 Winkelabhängigkeit der Steifigkeit des Langfaserverbundes Quelle: Keller, Th.: Materialkundliches Praktikum: Verbundwerkstoffherstellung MP 10. IMT/FSU

20 Quelle: Menges, G.; Haberstroh, E.; Michaeli, W.; Schmachtenberg, E.: Werkstoffkunde Kunststoffe, Carl Hanser Verlag, München, Berlin, 5. Auflage, 2002

21 Institut für Flugzeugbau Schliff einer Probe mit Ondulationen Bildquelle: Eurocopter Deutschland

22 Übersicht 1. Einführung Faserverbundleichtbau 2. Stand der Technik: FKV für Flugzeugstrukturen 3. Entwicklungstrends 4. Qualitätssicherung: Zerstörungsfreie Prüfung 5. Zusammenfassung 22

23 Institut für Flugzeugbau Faserverbundtechnologie im Flugzeugbau 23

24 Faserverbundtechnologie: Vergleich Drehflügler Strukturgewicht incl. Rotorblätter 100% 75% 50% 25% Militärische Hubschrauber Bo 105 BK 117 Faserzelle BK 117 AS 355 Tiger EC 135 NH90 V-22 A Future Heavy Transport A350 Zivile Hubschrauber Erstflug

25 Gewichtsentwicklung im Flugzeugbau 25

26 Bedeutung des Leichtbaus im Flugzeugbau A320 (73,5 to MTOW) Flugzeugtyp Reduzierung -10kg Anzahl Einsparung Flugzeuge Flüge Menge Einheit 1 1 1,75 Liter / Flug / Flugzeug / Jahr Liter / Jahr / Flugzeug / Jahr Liter / Jahr Nutzen: weniger Treibstoffverbrauch grössere Reichweite mehr Nutzlast bessere Umwelt-Bilanz höherer Passagierkomfort 26

27 Bedeutung des Leichtbaus im Flugzeugbau A320 (73,5 to MTOW) Flugzeugtyp Reduzierung -10kg Anzahl Einsparung Flugzeuge Flüge Menge Einheit 1 1 1,75 Liter / Flug / Flugzeug / Jahr Liter / Jahr / Flugzeug / Jahr Liter / Jahr Nutzen: weniger Treibstoffverbrauch grössere Reichweite mehr Nutzlast bessere Umwelt-Bilanz höherer Passagierkomfort 27

28 Stand der Technik: Airbus A380 GLARE in Upper Fuselage CFRP Rear Pressure Bulkhead CFRP Floor Beams for Upper Deck CFRP Vertical Tail Plane CFRP Section 19.1 CFRP Outer Flaps CFRP Horizontal Tail Plane CFRP J-Nose CFRP Section 19 CFRP center wing box CFRP Wing Ribs 28

29 Stand der Technik: Boeing

30 Andere Anwendungen in der Luftfahrt Segelflugzeuge Bessere Flugeigenschaften Höhere Reichweite Militärflugzeuge Über 80% Composites Performance, Stealth Eurofighter Fertigung Phönix 1957, erstes GFK-Flugzeug ETA 2000, bisher leistungsfähigstes Segelflugzeug Eurofighter, 82% Verbundwerkstoffe 30

31 Stand der Technik: Fertigung NH90 Prepreg Handablegen CFK-Sandwich Seitenschale CFK-Sandwich Bodenschale Vormontierte CFK Spantstruktur CFK Centre Fuselage Automatisiertes Spleissen und Endmontage des NH90 Front und Rear Fuselage 31

32 Übersicht 1. Einführung Faserverbundleichtbau Eigenschaften der C-Faser 2. Stand der Technik: FKV für Flugzeugstrukturen 3. Entwicklungstrends 4. Qualitätssicherung: Zerstörungsfreie Prüfung 5. Zusammenfassung 32

33 Fertigung im Automobil- und Flugzeugbau Institut für Flugzeugbau 33

34 Entwicklung der Stückzahlen im Flugzeugbau geplante Produktionszahlen A Nachfolger (ca ) 480 Flugzeuge pro Jahr 480 Rümpfe > Spante > Stringerelemente 960 Flügelhälften 480 Seitenleitwerke 960 Höhenleitwerke 34

35 Automatisierung im Flugzeugbau Placement Technologien Volume rate 15kg/h Automated Tape Laying (ATL) 10kg/h 8kg/h 5.5kg/h 5kg/h 4kg/h 3kg/h 2kg/h 1kg/h 0.5kg/h ATL constrained by a high degree of double-curvature Automated Fiber Placement (AFP) AFP constrained by sub-component size Hand Lay-up 1.6kg/h 2kg/h constrained by mould size Low Medium High Very High Complexity of Mould Geometry and Lay-up 4.7kg/h Thanks to SAMPE 2003 Keynote, Jens Hinrichsen & Chris Reed 35

36 Automatisierung im Flugzeugbau Flechttechnik CTC Stade Pilotanlage für Flugzeugspante BIAX-Flechten 90 -Wickeln UD-Flechten komplexe CFK Spanten voll automatisiert geflochten Ca. 1600m pro Flugzeug Großserie Für A320-Nachfolger >40000 Spante/Jahr Quelle: EADS IW, SGL Kümpers 36

37 Textile Preformtechnologie Flechten 3D-Nähen MAG - Leger Tailored Fiber Placement Profile Träger Crashelemente Lokale Verstärkung Energieabsorption Ablage von flächigen Halbzeugen Krafteinleitungen Verstärkungselemente komplexe Lastpfade Verbinden der Sub-Preforms 37

38 Übersicht 1. Einführung Faserverbundleichtbau Eigenschaften der C-Faser 2. Stand der Technik: FKV für Flugzeugstrukturen 3. Entwicklungstrends 4. Qualitätssicherung: Zerstörungsfreie Prüfung Erkennung herstellungs- und gebrauchsbedingter Schäden 5. Zusammenfassung 38

39 Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) am CFK Flugzeug e Genius des IFB Erstflug am

40 ZfP an Blindverklebungen (Höhenleitwerksflosse e Genius) Blindverklebung der Oberschale: Erstflug am

41 Institut für Flugzeugbau ZfP zur Strukturverifizierung am Leitwerk des E-Genius E-Genius: Bau der Höhenflosse NDE am IKT-ZFP: Lockin-Interferometrie

42 Institut für Flugzeugbau ZfP an Höhenflosse: Ergebnisgegenüberstellung Lockin-Interferometrie 0,075 Hz Lockin-Thermografie 1 Hz

43 Impaktschaden in Laminat Cylindrical compression: No delamination impact Impacted front surface laminate layers Delamination between layers due to shear Rear surface Resulting delamination pattern

44

45 Übersicht 1. Einführung Faserverbundleichtbau Eigenschaften der C-Faser 2. Stand der Technik: FKV für Flugzeugstrukturen 3. Entwicklungstrends 4. Qualitätssicherung: Zerstörungsfreie Prüfung 5. Zusammenfassung 45

46 Zusammenfassung 1. Moderne Faserkunststoffverbunde ermöglichen leichte Bauweisen und dadurch Treibstoffersparnis und somit umweltschonenden Transport. 46

47 Zusammenfassung 1. Moderne Faserkunststoffverbunde ermöglichen leichte Bauweisen und dadurch Treibstoffersparnis und somit umweltschonenden Transport. 2. Zukünftige hohe Stückzahlen und damit verbundene kurze Taktzeiten sind Herausforderungen an die Herstellungstechnik. 47

48 Zusammenfassung 1. Moderne Faserkunststoffverbunde ermöglichen leichte Bauweisen und dadurch Treibstoffersparnis und somit umweltschonenden Transport. 2. Zukünftige hohe Stückzahlen und damit verbundene kurze Taktzeiten sind Herausforderungen an die Herstellungstechnik. 3. Der Einsatz in sicherheitsrelevanten Strukturen erfordert stellt besondere Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung bei Herstellung, Inspektion und Wartung. 48

49 Institut für Flugzeugbau Institut für Flugzeugbau 49

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