Treibstoffeffizienz durch Leichtbautechnologie. Prof. Dr.-Ing. Axel Herrmann Pierre Zahlen

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1 Treibstoffeffizienz durch Leichtbautechnologie Prof. Dr.-Ing. Axel Herrmann Pierre Zahlen

2 Inhalt Einleitung Steigern der Treibstoffeffizienz Förderprogramme Leichtbau-Technologie Zusammenfassung Seite 2

3 Einleitung 1 kg weniger Strukturgewicht bedeutet ~ 3 Tonnen Kraftstoffeinsparung in 20 Betriebsjahren (A ) Quelle:Airbus Seite 3

4 Inhalt Einleitung Steigern der Treibstoffeffizienz Förderprogramme Leichtbau-Technologie Zusammenfassung Seite 4

5 Gesteigerte Treibstoffeffizienz durch Widerstandsreduzierung - Aerodynamisches Design - Oberflächenqualität - Adaptive Strukturen Quelle: Zephyr... Effizientere Triebwerke Quelle: Clean Sky JTI Seite 5

6 Gesteigerte Treibstoffeffizienz durch......optimierte Flugrouten Quelle: Northrop Grumman... geringeres Gewicht - höhere Nutzlastkapazität - höhere Passagierzahl Seite 6

7 Gewichtsreduzierung Wesentliche Potentiale zur Gewichtsreduzierung optimierter Design- und Berechnungsmethoden neue Materialien und die dazugehörigen Fertigungstechnologien Potential von CFK Das Potential zur Gewichtseinsparung liegt im Vergleich zu Stahl bei 70%, im Vergleich zu Aluminium bei 40% Seite 7

8 Konkrete Beispiele A300 SLW in Metallbauweise Kg Gewichtsersparnis durch CFK Einsatz in der A319 Umstellung der HLW-Schwinge auf CFK in der A /600 A300 SLW in CFK-Bauweise - heute - 8 Plätze mehr Passagierkapazität AL-TI-AL Schwinge: 46,0 kg CFK Schwinge: 25,6 kg 22% Gewichtsreduktion Kerosineinsparung über den Lebenszyklus des Flugzeuges: 800 Tonnen Mehreinnahmen für die Fluggesellschaften pro Jahr pro Flieger: 2 Mio. Gewichtsersparnis: 46% Kostenersparnis: 28% Seite 8

9 Inhalt Einleitung Steigern der Treibstoffeffizienz Förderprogramme Leichtbau-Technologie Zusammenfassung Seite 9

10 Förderprogramm Clean Sky (EU-Projekt) Umweltfreundliche Lösungen für die zivile Luftfahrt 6 Jahre 1.6 Milliarden Seite 10

11 Förderprogramm Clean Sky (EU-Projekt) Smart Fixed Wing Aircraft CFK mit Thermoplast- Schichten mit Nanopartikeln verstärktes CFK CFK-Strukturen mit integrierten Piezo-Sensoren Innovative Fertigungsmethoden und -prozesse Reduzierung des Strukturgewichtes mit Hilfe von CFK Seite 11

12 Förderprogramme USA NASA Awards- Future Commercial Aircraft Research Contract Entwicklung von Konzepten für zukünftige zivile Verkehrs- und Transportflugzeuge mit verbesserter Effizienz und geringen Emissionen Quelle: Lockheed Martin 12.4 Millionen USD Quelle: Boeing Quelle: MIT In-Dienst-Stellung: Jahre Quelle: GE Aviation Quelle: Boeing Seite 12

13 Förderprogramme Automobilindustrie Entwicklungsplan Automobilität (Deutschland, BMBF) 200 Millionen Euro, 10 Jahre Schlüsselthemen: Batterie neue Fahrzeugkonzepte Green Cars (EU) 5 Millionen Euro drei Hauptgebiete: Quelle: Green Car Initiative Quelle: BMBF Automobilität - grünes Transportwesen im Straßenverkehr - industrielle Projekte unterstützen - behördliche Änderungen, wie z.b. Steuerermäßigungen für umweltfreundliche Fahrzeuge Seite 13

14 Inhalt Einleitung Steigern der Treibstoffeffizienz Förderprogramme Leichtbau-Technologie Zusammenfassung Seite 14

15 Leichtbau-Technologie Herausforderungen des Leichtbaus Optimiertes Strukturgewicht Wesentliche Reduzierung der Fertigungskosten Robuste Prozesse Kosteneinsparpotential durch vollautomatisierte Fertigung am Beispiel des CFK-Spantes Erreichen der Ziele durch Reduzierung der Halbzeugkosten Entwicklung automatisierter, textiler Vorformtechnologien Beispiel CFK-Spant in Preformtechnologie Seite 15

16 CFK-Spanttechnologie - Bauweisen Vorteile integraler gegenüber differentieller Bauweise Gewichtseinsparung - 15% geringere Fertigungskosten - 70% - Material- & Montageaufwand reduziert - weniger Verbindungselemente Rumpfschale mit Stringern und Spanten Quelle: CTC Mögliche Spantvarianten Vorteile differentielle Bauweise geringes Risiko hinsichtlich Design- Änderungen und einfache Geometrie Ausgleich von Fertigungstoleranzen in der Montage Seite 16

17 CFK-Spanttechnologie - Segmentierung einfache Ober- & Unterschalenspante konstanter Querschnitt und Krümmung keine lokalen Verstärkungen Einfacher Spant Komplexer Spant komplexe Seitenschalenspante komplexe Lasteinleitungen variierende Profilhöhe lokale Verstärkungen variierender Krümmungsradius Auswahl der Preformtechnologie für unterschiedlich komplexe Spantsegmente sinnvoll Seite 17

18 CFK-Spanttechnologie direkte Preformfertigung Direkte Verarbeitung der Kohlenstofffaser Niedrige Materialkosten (keine Halbzeugherstellung) Kontinuierliche Fertigungskonzepte hohe Ausbringungsraten Geringe Flexibilität hinsichtlich lokaler Verstärkungen Quelle: EADS IW Flechtwickeln Quelle: EADS IW Quelle: EADS IW UD-Geflecht 30 Wickellage 90 Gesamtanlage BRAF Geeignet für einfache Spantsegmente Quelle: EADS IW Seite 18

19 CFK-Spanttechnologie indirekte Preformfertigung Verarbeitung von flächigem, evtl. vorkonfektioniertem Faserhalbzeug (Gelege oder Gewebe) Hohe Flexibilität bei Querschnittsvariationen und lokalen Verstärkungen Nicht-kontinuierliche und kontinuierliche Verfahren verfügbar Quelle: EADS IW Drapieren von Gelegezuschnitten geeignet für komplexe Spantsegmente Beispiele für kontinuierliche Verfahren: 3D-Profile nicht-kontinuierliche Verfahren: KaPS Automatisierte Ablage von Trockenfaserhalbzeugen mittels Rollen-Effektor Seite 19 Quelle: CTC

20 CFK-Spanttechnologie Beispiel 3D Profile Technologie Kontinuierliche Umformung flächiger Halbzeuge und automatische Montage zum Preform Quelle: FIBRE Nachweisversuche im Labor Prinzip des Fertigungsprozesses Projektziele Entwicklung eines Prozesses zur kontinuierlichen Herstellung von veränderlich und stark gekrümmten CFK-Spantpreformen 30% Reduzierung der Fertigungskosten und 50% Reduzierung der Durchlaufzeit verglichen mit der diskontinuierlichen Preformfertigung Aufbau einer Versuchsanlage und Herstellung Quelle: FIBRE von LCF-Preforms Seite 20

21 CFK-Spantfertigung Beispiel KaPS Technologie Radiales Drapieren von Kohlenstofffaser-Gelegezuschnitten über Preformkerne Konsolidieren durch Aktivierung von Pulverbinder Quelle: CTC Quelle: CTC Manuelles Drapierverfahren automatisiert umgesetzt, Nachweisversuche Projektziele Entwicklung und Validierung der RTM-Fertigung Kalkulation der Fertigungskosten für die Serienfertigung KaPS: Konzept automatisierte Preformfertigung CFK-Spante Entwicklung automatisierter Effektoren Seite 21

22 Inhalt Einleitung Steigern der Treibstoffeffizienz Förderprogramme Leichtbau-Technologie Zusammenfassung Seite 22

23 Zusammenfassung Eine reduziertes Strukturgewicht leistet einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Treibstoffeffizienz eines Flugzeugs. 1 kg weniger Strukturgewicht bedeutet ~ 3 Tonnen Kraftstoffeinsparung in 20 Betriebsjahren (A ) Das Thema treibstoffeffizienter Leichtbau wird in einem breiten Spektrum von Förderprogrammen gezielt berücksichtigt. Automatisierte Preformtechnologien für die CFK-Strukturfertigung sind ein Schlüssel zur Steigerung der Treibstoffeffizienz durch Leichtbau. Seite 23

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