Vorteile durch CFK und Leichtbau

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1 GmbH Vorteile durch CFK und Leichtbau Präsentiert durch Dr.-Ing. Hilmar Apmann Leiter Entwicklung für Produktionssysteme

2 Inhalt Vorteile durch CFK und Leichtbau Einleitung Materialeigenschaften CFK im Flugzeugbau CFK in Toolings 2

3 Einleitung CFK und Leichtbau zur Reichweitenerhöhung im Flugzeugbau Zivile Luftfahrt Anteil an Faserverbundstrukturen in Flugzeugen Anteil CFK am A350: 52% Quelle: DLR, Booz Allen Analyse Der A 350 besteht zu 52% aus Kohlerfaser-Verbundwerkstoff 3

4 Einleitung CFK und Leichtbau als Kompensation für Gewichtszunahme im Automobilbau Anteile am Gewichtszuwachs 35% passive Sicherheit 20% aktive Sicherheit 20% Ausstattung 15% Komfort 10% Verbrauch/Emission byporsche byporsche byaudi CFK und Leichtbau als Kompensator für zunehmendes Gewicht 4

5 Materialeigenschaften Auswahlkriterien für Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe FASER MATRIX Für die Auswahl der für eine Problemstellung optimal geeigneten Verstärkungsfaser ist die Leichtbaubedingung ein brauchbares Kriterium: Die spezifische Festigkeit (s spez ) und die spezifische Steifigkeit (E spez ) sollen möglichst hoch sein. Weitere Kriterien zur Auswahl der geeigneten Verstärkungsfaser sind: Bruchdehnung, Wärmebeständigkeit, Schlagzähigkeit, Haftung mit der Matrix, Langzeitverhalten, Die Wahl der Matrix hängt unter anderem ab von: Größe des Bauteils, Herstellungsverfahren, angestrebte Stückzahl, Art und Form des Faservorproduktes, Medien- und Strahlungsbeanspruchung, Einsatztemperatur, Art und Höhe der mechanischen Beanspruchung Duroplaste: nicht schmelzbar bedingt quellbar bedingt löslich bei Raumtemperatur im Allgemeinen hart Beispiele: ungesättigte Polyesterharze (UP-Harz), Epoxidharze (EP-Harz) Preis und Verarbeitungskosten. Thermoplaste: Lassen sind wiederholt plastisch verformen In organischen Lösungsmitteln löslich Verbindung durch Schweißen möglich Beispiele: Polypropylen (PP), Polyamide (PA) Faser und Matrix bilden den Verbundwerkstoff 5

6 Materialeigenschaften Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe als Bauteilmaterial Szenario 1: Theoretische Dimensionierung auf gleiche Steifigkeit (Zug): Stahl 1,000 kg (E= MPa,ρ=7,85g/cm³) ALU 1,032 kg (E= MPa, ρ=2,70g/cm³) CFK(IM) 0,368 kg (E= MPa,ρ=1,45g/cm³) CFK(UHM)0,124 kg (E= MPa,ρ=1,64g/cm³) Szenario2: Theoretische Dimensionierung auf gleiche Bruchlast (Zug): Stahl 1,000 kg (Rm=1.400MPa, ρ= 7,85g/cm³) ALU (Luftfahrt) 0,963 kg (Rm= 500MPa, ρ= 2,70g/cm³) CFK (IM, j = 45%) 0,172 kg (Rm=1.500MPa, ρ= 1,45g/cm³) CFK (UTS, j = 60%) 0,104 kg (Rm=2.800MPa, ρ= 1,64g/cm³) C-Faser Menschliches Haar Überdurchschnittliche Kennwerte 6

7 Materialeigenschaften Materialien im Flugzeugbau Aluminium Metallischer Werkstoff Geringe Dichte Gute Festigkeit Geringe Materialkosten Gute Verarbeitbarkeit CFK GLARE Titan Verbundwerkstoff basierend auf Kohlefasern Geringe Dichte Sehr hohe Festigkeit Sehr hohe Materialkosten Aufwendige Verarbeitbarkeit Beschreibung Hybride Werkstoff aus Aluminium und Glasfasern Geringe Dichte Hohe Festigkeit Hohe Materialkosten Aufwendige Verarbeitbarkeit Material- und Prozesseigenschaften Metallischer Werkstoff Geringe Dichte Hohe Festigkeit Sehr hohe Materialkosten Aufwendige Verarbeitbarkeit geringe chem. Reaktion mit CFK GFK Verbundwerkstoff basierend auf Glasfaser Geringe Dichte Hohe Festigkeit Geringe Materialkosten Gute Verarbeitbarkeit Prozesssicherheit Gute Zerspanbarkeit Etabliertes Material Etablierter Füge- und Montageprozess Automatisierbarkeit Geringe Kosten Geringer Integrationsgrad Aufwendiger Montageprozess Hohe Integrationsmöglichkeit Prozesssicherheit Geringes Bauteilgewicht Sehr gutes Leistungsgewicht Automatiserbarkeit Aufwendiger Fertigungs- und Montageprozess Hohe Zykluszeiten Hohe Fertigungskosten Schwierige Handhabung des Materials Prozesssicherheit Gutes Leistungsgewicht Automatisierbarkeit Prozesskosten Hoher Arbeitsaufwand Hohe Werkzeugkosten Hoher Fertigungsaufwand Prozesssicherheit Sehr gutes Leistungsgewicht Automatisierbarkeit Geringe chem. Reaktion gegenüber CFK Schwierige Zerspanbarkeit Werkzeug- und Fertigungskosten Materialkosten Prozesssicherheit Automatisierbarkeit Einfache Verarbeitbarkeit Geringe Fertigungskosten Einfacher Montageaufwand Hohe Integrationsmöglichkeit Werkzeugkosten Zykluszeiten Fertigungsaufwand 7

8 Materialeigenschaften Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe als Tooling-Material Vorteile Nachteile GFK Form (abgeformt) Ausdehnungsverhalten wie Bauteil Mittlere Haltbarkeit (< 500 Entformungen) Geringes Gewicht und geringe Thermische Masse Produktion von Positiv und Negativform => Kosten Kostengünstig im Vergleich zu gefrästen Metallformen Schlechte Wärmeleitfähigkeit CFK Form (abgeformt) Ausdehnungsverhalten wie Bauteil Mittlere Haltbarkeit (< 500 Entformungen) Geringes Gewicht und geringe Thermische Masse Produktion von Positiv und Negativform => Kosten Kostengünstig im Vergleich zu gefrästen Metallformen Mittlere Wärmeleitfähigkeit Hohe Materialkosten Aluminiumform (geschweißte) Hohe Haltbarkeit (> 1000 Entformungen) Großer Therm. Ausdehnungskoeffizient Reparierbar (Löten,Schweißen) Hoher Fertigungsaufwand Geringes Gewicht und geringe Thermische Masse Sehr gute Wärmeleitfähigkeit Stahlform (geschweißte) Hohe Haltbarkeit (> 1000 Entformungen) Mittlere Therm. Ausdehnungskoeffizient Reparierbar (Löten,Schweißen) Hoher Fertigungsaufwand Mittlere Wärmeleitfähigkeit Großes Gewicht und große Thermische Masse Ni36 Form (geschweißte) Ausdehnungsverhalten wie Bauteil Großes Gewicht und große Thermische Masse Hohe Haltbarkeit (> 1000 Entformungen) Hoher Fertigungsaufwand Reparierbar (Löten,Schweißen) Geringe Wärmeleitfähigkeit Wärmeausdehnungskoeffizient Thermische Masse Wärmeleitfähigkeit GFK 20 5 GFK 2,4 GFK 0,8 CFK 2 4 CFK 1,7 CFK Aluminium Stahl Ni36 1, α K Aluminium Stahl Ni ,6 Aluminium 236 3,6 Stahl MJ W cp 3,7 Ni36 15 λ 3 m K mk Überdurchschnittliche Kennwerte 8

9 CFK im Flugzeugbau CFK-Produkte bei Premium Aerotec Tornado X31 JPATS Eurofighter A380 U(C)AV B787 A400M A350 Radome Fin Leading Edge Taileron Main Landing Gear Door LH/RH Wing Leading Edge Full Compos. Aircraft centre Fuselage Airbrake Finbox Fin Floor Beams UD Flap Tracks Bathtub Full CFRP Aircraft Rear Pressure Bulkhead Cargo Door Floor Grid Rear Pressure Bulkhead Fuselage Barrel Emerg. Power Unit Door Spine Infusion Technology VAP Prepreg Technology Autoclave Tape Steering Tow placement (A350) Über lange Zeit schon CFK-Produkte im Flugzeugbau 9

10 CFK im Flugzeugbau A350 Airbus A350 XWB Rahmendaten und PAG-Arbeitsanteile Entwicklungsverantwortung für alle Produkte Erstauslieferung: 2013 Bestellungen : 483 A350 leitet technologischen Wandel ein 10

11 CFK im Flugzeugbau Integrale Bauteile aus CFK CFK-Einzelteile Integrale Landeklappe A4000M Cargo-Door Wickelrumpf- Demonstrator Unterschiedliche Integrale Bauteilkonzepte 11

12 CFK in Toolings Toolings aus CFK und ihre Anwendungseigenschaften Hybrid-Werkzeug HexTool-Werkzeug Eigenbeheiztes CFK-Werkzeug Eigenbeheiztes Hybrid-Tooling Selbststeuerndes Tooling Hybrides Tooling Unterschiedliche CFK-Toolings 12

13 Netzwerke Netzwerke Zusammenarbeit: Interessenfelder: Netzwerk: Aufgabenstellungen PAG Varel Kompetenzen Politik Windkraftanlagen Hersteller Anforderungen Förder-Programme Image nicht gefunden Nachzutragen!!! Lieferanten Institute Hochschulen Definition von Projekten Versuche, Tests Produkte Branchenübergreifende Zusammenarbeit fördert die Entwicklung 13

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 14