thermoplastische Composites

Federleicht: Wie thermoplastische Composites die Luftfahrt verändern

Paola Leibbrandt
04.06.2018
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8 Minuten

Die Ansprüche an Werkstoffe und Fertigungsprozesse in der Luftfahrt sind hoch: leicht, stabil, sicher und kosteneffizient sollen sie sein. Kunststoffe haben sich aufgrund ihrer positiven Eigenschaften bereits als Alternative zu bestehenden Materialien bewährt. Thermoplastische Composites sollen immer mehr Aluminium und andere Metalle im Flugzeugbau ersetzen.

Der Airbus A350 XWB besteht schon jetzt zu 53 Prozent aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK). Wir zeigen, was genau thermoplastische Composites sind und wie sie die Luftfahrt verändern.

Bis zu 70 Prozent weniger Gewicht – darum setzt die Luftfahrt auf neue Materialien

Der Wettbewerb um den günstigsten Passagierkilometer zwingt Airlines und Flugzeughersteller zum Umdenken. Jedes eingesparte Kilo reduziert den Kerosinverbrauch und die Kosten, weshalb besonders auf Leichtbaukonstruktionen gesetzt wird. Die Verwendung von thermoplastischen Composites sorgt für bis zu 70 Prozent weniger Gewicht gegenüber den üblichen Materialien. Optimierte, automatisierte Fertigungsprozesse können die Herstellungskosten ebenfalls reduzieren.

Um den hohen Ansprüchen der Luftfahrt zu genügen, müssen bei der Auswahl des Materials viele Dinge berücksichtigt werden:

Neben den ökonomischen Zielen gibt es zudem ökologische Ziele, die sich zum Teil überschneiden und ergänzen. Zu den wichtigsten Anforderungen gehören alternative Kraftstoffe und deren Verbrauch, eine reduzierte Umweltbelastung, ökologisches Design und die Wiederverwertbarkeit des Materials.

Flugzeughersteller wie Airbus treiben die Forschung im Bereich Kunststoff-Technologie deshalb ordentlich an. Hier werden sogar die riesigen Tragflächen aus Carbon hergestellt.

Wo werden Faserverbundwerkstoffe in der Luftfahrt eingesetzt?

Faserverbundwerkstoffe kommen für viele Bauteile in der Luftfahrt in Frage:

Airbus A350: Überflieger in Sachen Thermoplaste

Airbus hat angefangen: Seit über 30 Jahren verwendet der Flugzeughersteller CFK in allen Flugzeugen. Während seine Vorgänger mit wenigen Teilen aus Carbon auskommen mussten, besteht der Airbus A350 XWB bereits zu satten 53 Prozent aus dem leichten Kunststoff. Zu den Carbon-Teilen zählen das Seitenleitwerk, die oberen und unteren Rumpfschalen und die 32 Meter langen Flügel. Pro Flügelschale werden im „CFK Valley“ rund 48 Karbonfaserrollen verlegt: 19.200 Meter. Zum Ausbacken werden die Flügel in den knapp 40 Meter langen Autoklaven geschoben: Unter 10 Bar Druck und bei 180 Grad Celsius härten die Flügelschalen hier aus.

Wie bei Airbus Tape für Tape ein Flügel entsteht, seht ihr in diesem Video:

Flexibel, leicht und superstabil: Thermoplaste und Composites

Thermoplaste – Die Eiswürfel unter den Kunststoffen
Thermoplaste sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich beliebig verformen lassen. Kühlt man sie anschließend herunter, behalten sie ihre stabile und widerstandsfähige Form. Dieser Vorgang lässt sich beinahe beliebig oft wiederholen. Ähnlich wie bei einem Eiswürfel, den man schmelzen und anschließend in einer neuen Form einfrieren kann.

Composites – Hybride Alleskönner
Composites sind Verbundwerkstoffe. Sie bestehen aus mindestens zwei Komponenten, die miteinander verbunden werden:

  1. Eine technische Faser, die das Produkt verstärkt (zum Beispiel aus Kohlenstoff oder Glas).
  2. Ein Kunststoff oder Polymer als Bindemittelmatrix (zum Beispiel Thermoplaste).

Man unterscheidet Composites nach der Länge der Verstärkungsfasern im fertigen Bauteil. Bei mehreren Millimetern spricht man von langfaserverstärkten Thermoplasten. Fasergelege und -geflechte bezeichnet man als endlosfaserverstärkte Thermoplaste.

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, die Fasern in der Matrix anzuordnen. Die einfachste ist die Spritzmethode, die für eine zufällige Anordnung der Fasern sorgt. Aufwändigere Verfahren ermöglichen spezielle Gefüge, die die Belastbarkeit deutlich erhöhen, wie beispielsweise bei Gelegen.

Die Kombination der Komponenten bringt Eigenschaften hervor, die die einzelnen Bestandteile nicht besitzen. Unter anderem eine sehr hohe Schlagzähigkeit, Zugfestigkeit und Schwingungsdämpfung. Das macht Composites zu hybriden Alleskönnern.

Prepregs und Co: Thermoplastische Halbzeuge

Der Ausgangspunkt für die Flugzeugteile der Zukunft sind Halbzeuge. Thermoplastische Halbzeuge werden meist in Form von Platten, Tapes, Strängen, Rohren oder Stäben hergestellt und haben eine feste oder teigartige Konsistenz. Sie werden anschließend in unterschiedlichen automatisierten Verfahren bis zum Endprodukt weiterverarbeitet. Die Halbzeuge sind flexibel einsetzbar und lassen sich auf unterschiedlichste Arten bearbeiten:

Der häufigste Vertreter der Faser-Matrix-Halbzeuge im Flugzeugbau ist das thermoplastische Prepreg (preimpregnated fibers). Die Prepreg-Technologie zählt zwar zu den teuersten Verfahren, ermöglicht jedoch eine sehr hohe Qualität der Bauteile. Hierbei werden Endlosfasern mit Thermoplasten (zum Beispiel PEEK) imprägniert und unter Druck und Temperatur konsolidiert. Prepregs verfügen über eine hohe Festigkeit und Steifigkeit, sind ermüdungs- und verschleißbeständig, schwer entflammbar und unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Plattenförmige, thermoplastische Prepregs nennt man auch Organo Sheets (Organobleche). Sie bestehen aus Fasergeweben oder -gelegen.

Preforming: Vom Halbzeug zum fertigen Bauteil

Um aus den Composites fertige Bauteile herzustellen, durchlaufen sie komplexe Fertigungsprozesse, die meist speziell für diese Werkstoffe entwickelt wurden. Bei der automatisierten Herstellung werden High-Tech-Roboter eingesetzt, die in Kleinstarbeit die Kunststoffbahnen legen, zurechtschneiden, drapieren und zusammenfügen. Zum Aushärten werden teilweise Maschinen benötigt, die an riesige Backöfen erinnern.

Beim Preforming werden Vorformlinge (Preforms) erstellt, die anschließend zum fertigen Bauteil aushärten. Die Faserhalbzeuge kommen der Form des Endproduktes schon sehr nahe und werden aus Gewebe, Gelege oder Matten gelegt. Anschließend werden sie zugeschnitten und miteinander verbunden. Beim Stacking werden die Lagen der gewünschten Struktur nach gestapelt.

Dieses Video zeigt den aufwändigen Herstellungsprozess eines Carbon-Bauteils:

Nach dem Preforming lassen sich die gewünschten Bauteile durch unterschiedliche Verfahren herstellen. Beim Autoklavverfahren nutzt man den Überdruck zum Aushärten des Materials. Beim Spritzpressen werden trockene Fasern mit Harz umspült und durch Wärme ausgehärtet. Auch Faserspritzen, Press- und Wickelverfahren kommen zum Einsatz. Moderne Hybrid-Molding-Verfahren verbinden sogar mehrere Schritte miteinander. Hier werden die Verbundhalbzeuge umgeformt, anschließend überspritzt und zum Schluss lackiert. Wir sind gespannt, wohin die Reise noch geht!

Titelbild © SFS

von Paola Leibbrandt

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