Was ist ein thermoplastischer Verbundwerkstoff (TPC) für die Luft- und Raumfahrt?

Thermoplastischer Verbundwerkstoff für die Luft- und Raumfahrt

Im Bereich der Luft- und Raumfahrt gehören zu den häufig verwendeten thermoplastischen Verbundwerkstoffen mit Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK), Polyaryletherketon mit niedrigem Schmelzpunkt (LMPAEK), Polyphenylensulfid (PPS), ABS usw. Diese Werkstoffe werden in der Regel mit Glasfasern (GF) oder Kohlenstofffasern (CF) verstärkt.

Thermoplastische Verbundwerkstoffe (TPC) finden breite Anwendung in der zivilen Luftfahrtindustrie, bei der Herstellung von Verteidigungs- und Militärausrüstung, in der Weltraumforschung sowie in damit verbundenen wissenschaftlichen Forschungsprojekten im Bereich der Luft- und Raumfahrt.

Derzeit nehmen Anwendungen in der zivilen Luftfahrt einen bedeutenden Anteil an der Branche ein und erweitern durch kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsbemühungen stetig den Anwendungsbereich von TPC.

Eine Marktstudie aus dem Jahr 2019 ergab, dass das Marktvolumen für thermoplastische Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigungsindustrie voraussichtlich 636,5 Millionen US-Dollar erreichen wird, was die zunehmende Bedeutung dieses Werkstoffs widerspiegelt.

Seit den 1980er Jahren hat sich der Einsatz von TPC in der Luft- und Raumfahrt kontinuierlich ausgeweitet, wobei sich der Anwendungsbereich stetig erweitert. Abbildung 1 zeigt einige wichtige Anwendungsbeispiele für TPC in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigungsindustrie. So legte beispielsweise das für Airbus entwickelte J-Nose-Bauteil auf CF-PPS-Basis den Grundstein für den Einsatz von TPC in der zivilen Luftfahrt.

Abbildung 1: Wichtigste Anwendungsbereiche von thermoplastischen Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt

Thermoplastische Verbundwerkstoffe finden breite Anwendung in tragenden und nichttragenden Bauteilen von Flugzeugen. Seit den 1990er Jahren werden thermoplastische Verbundwerkstoffe (TPC) für Schlüsselkomponenten wie Rippen und Flügelträger von Fahrwerksklappen eingesetzt. Als einer der größten Anwender setzt Airbus thermoplastische Außenhäute, Verkleidungen und Komponenten an der Vorderkante in den Modellen A340-600 und A380 ein.

Darüber hinaus findet TPC breite Anwendung bei kleinen Bauteilen wie Klammern, Halterungen, Befestigungselementen und Bodenelementen in Verkehrsflugzeugen, Jets und Militärhubschraubern. Ein typisches Beispiel hierfür ist der Einsatz von aus TPC gefertigten Ruder- und Heckflossen im Flugzeugtyp Gulfstream G650.

Zu den gängigen thermoplastischen Innenraumkomponenten zählen Sitzgestelle, Rückenlehnen, Ablagen und Sitzrahmen. Die Herstellung von Seitenwänden und Deckenverbundschienen im Airbus A330 und A340 ist ein typisches Anwendungsbeispiel im Kabinenbereich. Zu den gängigen Bauteilen aus TPC gehören Versteifungsrippen, Halterungen und Verstärkungsrippen.

 

3D-Drucktechnologie

Die 3D-Drucktechnologie eröffnet der Luft- und Raumfahrtindustrie neue Anwendungsmöglichkeiten. Derzeit testen und nutzen zahlreiche Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie 3D-gedruckte thermoplastische Bauteile und machen sich dabei die Vorteile der schnellen und präzisen Fertigung voll zunutze. So hat beispielsweise Boeing 3D-gedruckte Teile in den Baureihen 737, 747, 777 und 787 Dreamliner eingesetzt, wobei allein das Modell 787 einen Umsatz von $3 Millionen erzielt hat. Diese Technologie eignet sich besonders für die schnelle und präzise Fertigung von Teilen mit komplexen geometrischen Formen. Das Flugzeug Airbus A350 XWB verwendet über tausend 3D-gedruckte Bauteile auf PEI-Basis und ebnet damit den Weg für den Einsatz der 3D-Drucktechnologie in Großflugzeugen und zukünftigen Luftfahrtprojekten. Mit ihren Eigenschaften – Schnelligkeit, geringes Gewicht, Langlebigkeit und hohe Präzision – ersetzen sie nach und nach herkömmliche Materialien und Verfahren.

Zahlreiche Luft- und Raumfahrtunternehmen nutzen verschiedene Verarbeitungsverfahren für Thermoplaste zur Herstellung großer und kleiner Raketenkomponenten. So hat beispielsweise das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt im Rahmen des ATEK-Projekts [4] die auf Aluminium basierende Hauptstruktur durch vor Ort hergestellte CF-PEEK-Verbundwerkstoffe ersetzt und diese für Testkomponenten von Höhenraketen verwendet. Ziel des Projekts ist die Entwicklung wiederverwendbarer und recycelbarer Raumfahrzeugkomponenten zur Senkung der Produktionskosten. Weitere Informationen zu den entsprechenden Forschungsarbeiten entnehmen Sie bitte der Abbildung.

Bild: Im ATEK-Programm verwendete Rakete und ursprüngliche Aluminiumkomponenten, die durch thermoplastische CF-PEEK-Verbundwerkstoffe ersetzt wurden.

Airbus startete 2015 das Projekt “Wings of Tomorrow” (WOT) und arbeitet seitdem mit mehreren Luft- und Raumfahrtunternehmen zusammen, um neue Produktionsverfahren zu entwickeln, bei denen neue Werkstoffe zur Herstellung wirtschaftlich effizienter Flugzeugflügel zum Einsatz kommen. Im Rahmen des WOT-Projekts hat GKN Aerospace thermoplastische Verbundwerkstoffe für Flügelrippen entwickelt, deren Leistungsmerkmale mit denen von Aluminium oder duroplastischen Verbundwerkstoffen vergleichbar sind und die eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig geringerem Gewicht aufweisen.

Mehrere europäische Fluggesellschaften und Institutionen haben sich zusammengeschlossen, um die Entwicklung und den Einsatz von thermoplastischen Verbundwerkstoffen (TPC) in der Luft- und Raumfahrtindustrie voranzutreiben. Das Projekt “Thermoplastic Economy Aircraft Main Structure Alliance” (TAPAS) ist in zwei Phasen unterteilt: TAPAS1 und TAPAS2.

Die Niederlande starteten das TAPAS-Projekt erstmals im Jahr 2009 und führten es bis 2017 fort, wobei sie mehrere Luftfahrtunternehmen und -institutionen zusammenbrachten, um gemeinsam die Forschung und Entwicklung neuer TPC-Komponenten voranzutreiben. Im Rahmen des TAPAS1-Projekts wurde die Fertigung von Demonstrationskomponenten, des Rumpfs und der Drehmomentbox abgeschlossen; TAPAS2 hat eine neue Technologie für Drehmomentboxen und Rümpfe entwickelt. Derzeit werden diese Projekte im Rahmen des “Clean Sky”-Programms koordiniert, um die technischen Lösungen weiter zu verbessern und den Umfang der Zusammenarbeit auszuweiten.

“Clean Sky” (2008–2016) und „Clean Sky 2“ (2017–2021) sind wichtige Bestandteile des EU-Programms „Horizont 2020“. Eine der wichtigsten Errungenschaften im Rahmen von „Clean Sky 2“ ist die Einführung eines multifunktionalen Rumpf-Demonstrators aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen zur Kosten- und Gewichtsreduzierung, der für den Einsatz in Kabinensystemen vorgesehen ist. Die geplante Flugzeugstruktur ist in der Abbildung dargestellt.

Bild: Rumpfteil aus thermoplastischem Verbundwerkstoff

 

PEKK- und LMPAEK-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt

Betrachtet man die Experimente und Forschungsarbeiten im Bereich der Luftfahrt, so sind PEEK, PEKK und LMPAEK aus der Materialfamilie der Polyaryletherketone (PAEK) am weitesten verbreitet und weisen die größte Anwendungsvielfalt auf. So führte GKN Fokker beispielsweise im Rahmen des TAPAS2-Projekts die “Docking Orthogonal Grid Technology” ein, um eine kosteneffiziente Fertigung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen für Flugzeugzellen zu ermöglichen.

Eine weitere wichtige Anwendung ist der Einsatz der Online-Ultraschall-Punktschweißtechnik zur Verbindung von CF/PEEK-Scharnieren, CF/PEEK-Klammern und CF/PEEK-C-Rahmen zu einem Demonstrationsmuster, das zum ökologischen Designprojekt “Clean Sky” gehört [9]. Untersuchungen haben gezeigt, dass je nach tatsächlichem Bedarf unterschiedliche Materialien ausgewählt und in ein und dasselbe Produkt integriert werden können.

PEKK eignet sich nicht nur für die Luft- und Raumfahrt, sondern bietet auch vielversprechende Perspektiven im Bereich der Weltraumkonstruktionen. Die Lockheed Martin Space Company entwickelt die nächste Generation von 3D-gedruckten Thermoplastkomponenten für das Orion-Raumschiff der NASA und führt entsprechende Forschungs- und Entwicklungsprojekte durch.

Um die Produktionseffizienz und die Geschwindigkeit beim Flugzeugbau zu steigern, arbeitet die Luft- und Raumfahrtindustrie kontinuierlich an der Weiterentwicklung der Konstruktions- und Fertigungsprozesse für Flugzeugstrukturen. Dabei ist der Einsatz von PEEK für das Einkapselungsformen eine repräsentative Technologie. So kombiniert beispielsweise die in der Abbildung gezeigte, mit einem PEEK-Gitter verstärkte Demonstrationsplatte Pressform- und Spritzgussverfahren, um die hohe Leistungsfähigkeit von Endlosfaserverbundwerkstoffen mit der geometrischen Steifigkeit von spritzgegossenen Gittern zu vereinen. Der gesamte Formzyklus dauert weniger als zwei Minuten, was eine erhebliche Zeitersparnis bedeutet.

Bild: Demonstrationsmodell einer CF/PEEK-Gitterverstärkung, hergestellt mittels Verkapselungstechnologie

LMPAEK wurde im Rahmen des „Clean Sky 2“-Testprojekts für Großflugzeuge als unidirektionales (UD) Prepreg eingesetzt und war eine der ersten laminierten Platten, die im Rahmen des 30-monatigen Projekts hergestellt wurden. LMPAEK wurde erstmals im Rahmen des TAPAS1-Projekts eingeführt, und Airbus Nantes präsentierte auf der Paris Air Show 2013 eine Rumpfplatte mit integrierten Verstärkungsrippen. Die Platte wurde unter Verwendung von CF/LMPAEK-Band von TenCate hergestellt, wobei Omega- und T-Träger mittels des Automatic Fiber Placement (AFP)-Verfahrens an die Außenhaut geschweißt wurden. AFP-, Stanz- und Schweißverfahren eignen sich besonders gut für die Verarbeitung von LMPAEK, das sich in der automatisierten Fertigung, wie beispielsweise beim automatischen Bandlegen (ATL), gut bewährt. Abbildung 11 zeigt eine laminierte Platte, die mittels ATL- und Formpressverfahren hergestellt wurde.

 

PPS-Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe aus Polyphenylensulfid (PPS) finden in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigungsindustrie breite Anwendung und sind für den Einsatz in Leiterplatten, Buchsen, Steckern, elektronischen Bauteilen und Flugabwehrsystemen zugelassen.

Die gängigen Fertigungsverfahren für thermoplastische Werkstoffe wie Thermoformen, Formpressen und Spritzgießen erfordern in der Regel Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohem Druck, während Polyetherimid (PEI) aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit und seiner stabilen mechanischen Eigenschaften vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten bietet. Mit der Entwicklung der 3D-Drucktechnologie haben Unternehmen im Bereich der Luft- und Raumfahrt zahlreiche Durchbrüche erzielt und damit neue Anwendungsbeispiele für die entsprechende Forschung geschaffen. Diese Technologie ermöglicht die schnelle Herstellung hochwertiger Prototypen, Vorrichtungen und Kleinserienbauteile. So hat beispielsweise Aurora Flight Sciences in Zusammenarbeit mit Stratasys die weltweit erste 3D-gedruckte Jet-Drohne entwickelt, bei der 80% der gemeinsamen Komponenten aus PEI-basierten Materialien gedruckt wurden. Das Gesamtdesign vereint geringes Gewicht, hohe Geschwindigkeit und hohe Produktionseffizienz.

 

ABS-Verbundwerkstoffe

ABS wird in der Regel als leichte Alternative zu herkömmlichen Werkstoffen in der Luft- und Raumfahrt für Anwendungen eingesetzt, die keine hohe Festigkeit und keine hohe Temperaturbeständigkeit erfordern. Durch Modifizierung oder Vermischung mit anderen Werkstoffen kann ABS auch zur Herstellung wichtiger Bauteile verwendet werden, um die gewünschte Leistungsfähigkeit zu erreichen. ABS und seine Mischwerkstoffe werden aufgrund ihrer hervorragenden chemischen Beständigkeit und Flammhemmung häufig im Innenausbau von Verkehrsflugzeugen eingesetzt. ABS ist die ideale Wahl für Bauteile, die keine extrem hohe strukturelle Festigkeit erfordern, dafür aber leicht, wirtschaftlich, langlebig und wartungsfreundlich sein müssen. So wurden beispielsweise thermoplastische CF/ABS-Verbund-Sandwichstrukturen zur Herstellung von Doppelkipphalterungen für Quadcopter verwendet, und Tests haben gezeigt, dass ihre Leistungsfähigkeit der herkömmlicher einteiliger Strukturen überlegen ist.

 

TPC-Materialien

Thermoplastische Verbundwerkstoffe (TPC) entwickeln sich aufgrund ihrer aktuellen Vorteile zunehmend zu einer wichtigen Alternative zu herkömmlichen Werkstoffen in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Recycelbare, leicht formbare, schweißbare, leichte und langlebige TPC-Werkstoffe sind seit vielen Jahren ein wichtiger Forschungs- und Anwendungsschwerpunkt in diesem Bereich. Darüber hinaus eignet sich die 3D-Drucktechnologie besonders gut für die Herstellung von thermoplastischen Verbundbauteilen in unbemannten Luftfahrzeugen und anderen Bereichen der Luft- und Raumfahrt.

Dank seiner Recyclingfähigkeit bietet TPC zudem ein erhebliches Anwendungspotenzial für zukünftige Projekte in der Luft- und Raumfahrt. MQ hat es sich zudem zur Aufgabe gemacht, Extrusionsanlagen für hochwertige Werkstoffe bereitzustellen, um die Eigenschaften von Hochleistungswerkstoffen noch weiter zu verbessern.