Leistungsstarke Leichtbau-Materialien für den Flugzeugbau

Hochwertige und anspruchsvolle Verbundwerkstoffe für den Leichtbau spielen für die Flugzeugindustrie schon heute eine zentrale Rolle. Das Fraunhofer IMWS und der Luftfahrtzulieferer P-D Aircraft Interior wollen diese Materialien durch den Einsatz von Glasfasern noch robuster machen. Das würde weitere Potenziale für Gewichtseinsparung eröffnen – und damit den Treibstoffverbrauch und die Umweltbelastung senken.

Sandwich Bauteil Luftfahrt Flugzeug Schaden
© Foto Fraunhofer IMWS

Auch bei schlagartigen Belastungen, hier mit 2,5 Joule, nehmen Sandwichbauteile mit glasfaserverstärkten Laminaten kaum Schaden.

Ein Sandwich im Flugzeug? Da denken die meisten wohl an den Bordservice und die kleine Stärkung für den Magen während einer langen Reise. Doch Sandwichstrukturen sind im Flieger auch an ganz anderer Stelle entscheidend: Bauteile, die auf diese Weise konstruiert sind, tragen dazu bei, das Gewicht der Maschine und damit ihren Treibstoffverbrauch zu reduzieren.

Sandwichstrukturen bestehen aus einem leichten Kern, der beispielsweise aus Polymerschaum oder einer Wabenstruktur aus Papier bestehen kann, und festen Deckschichten – diese Deckschichten entsprechen dem Brot beim Sandwich. Sie werden aus modernen Faserverbundwerkstoffen hergestellt und bringen in Kombination mit dem leichten Kern eine Sandwichstruktur mit einer hohen Biege- und Beulsteifigkeit bei sehr geringem Gewicht. Überall dort, wo leichte Materialien für flächige Strukturen gefragt sind, die hohen Belastungen standhalten können, kommen Sandwichstrukturen deshalb bevorzugt zum Einsatz.

Im Flugzeugbau werden Sandwichstrukturen beispielsweise in Verkleidungsteilen, Funktionsflächen an Tragflächen (Ruder) sowie im Interieur als Fußbodenpaneele, Wand- oder Deckenverkleidungen genutzt. Die Bauteile sind zwar äußerst stabil, mit ihren sehr dünnen Deckschichten und Kernen aus leichter Papierwabe aber kaum resistent gegenüber schlagartigen Belastungen (Impakt). Schon eine kleine und kaum sichtbare Beschädigung, etwa durch Vogelschlag an der Verkleidung oder einen herunterfallenden Gegenstand am Fußboden, kann dazu führen, dass die Deckschicht sich vom Kern ablöst (Delamination) und die verbleibende Tragfähigkeit des Bauteils deutlich sinkt.

Um das zu verhindern, werden die Sandwichstrukturen häufig lokal verstärkt. So werden dem Sandwichkern oft metallische Inserts und Kernmaterialien (etwa Aluminium-Schaum) hinzugefügt und die Deckschichten ebenfalls mit zusätzlichen Metallschichten wie Aluminium- oder Stahlblechen versehen. Das erhöht zwar die Impakt-Resistenz, macht das Bauteil aber schwerer und konterkariert damit die eigentlich angestrebte Gewichtseinsparung.

Gemeinsam mit der P-D Aircraft Interior GmbH aus Bitterfeld will das Fraunhofer IMWS hier eine Lösung schaffen: Im bis Oktober 2017 laufenden Gemeinschaftsvorhaben »ImPreg« wollen die Projektpartner ein Deckschichtmaterial entwickeln, das aus faserverstärkten Laminaten besteht. Es soll den Schutz gegen schlagartige Belastungen gewähren, den derzeit metallische Materialien bieten, zugleich aber den Gewichtsvorteil der Sandwich-Strukturen erhalten.

Ausgangsmaterial für diese leistungsfähigen Deckschichten sollen Glasfaser-Prepregs sein. Solche Prepregs sind ein wichtiges Element im Fertigungsprozess. Sie sind eine Vorform des späteren Bauteils und enthalten bereits Verstärkungsfasern und einen Matrixwerkstoff, der die Fasern umschließt und somit stützt und fixiert. Diese Bestandteile härten unter dem Einfluss von Temperatur und Druck im Verarbeitungsprozess aus, sodass das Bauteil die gewünschten Eigenschaften erhält. Geeignete Prepregs für den Flugzeugbau haben P-D Aircraft Interior und das Fraunhofer IMWS bereits in einem Vorgängerprojekt entwickelt – dieses Verfahren wurde 2014 mit dem Hugo-Junkers-Preis in der Sonderkategorie »Ressourceneffizienz« ausgezeichnet. »Um diese Prepregs auch für Bauteile nutzbar zu machen, die Impaktbelastungen ausgesetzt sind, müssen sie weiter modifiziert werden. Zudem gilt es, auch mit diesen neuen Materialien den Sicherheitsstandards der Luftfahrtindustrie gerecht zu werden. Wir werden deshalb geeignete Prüfverfahren entwickeln, um verlässlich nachzuweisen, dass die glasfaserverstärkten Deckschichten die nötige Qualität bieten«, sagt Ralf Schlimper, der das Projekt am Fraunhofer IMWS betreut.

Geplant ist, Hochmodul-Glasfasern und funktionellen Zwischenschichten, etwa Aluminiumfolie, in die Prepregs einzusetzen. Auch die dazugehörige technologische Umsetzung (Prepreg-, Laminat- und Sandwichherstellung) ist Teil des Projekts. Während die P-D Aircraft Interior GmbH die Prepreg-Technologie vorantreibt, übernimmt das Fraunhofer IMWS die Prüf- und Bewertungskonzepte.

Sandwichbauteil Aufbau
© Foto Fraunhofer IMWS

Das Sandwich-Prinzip: ein leichter Kern wird von zwei Deckschichten eingefasst.