Lasertechnologie für ein leichteres Fliegen der Zukunft

Gewicht erheblich eingespart

Das neuartige Verfahren macht den Einsatz mechanischer Verbindungselemente überflüssig und verzichtet zudem auf Materialdopplungen wie bei klassischen genieteten Überlappverbindungen. Die Rumpftonne aus geschweißtem, thermoplastischem Verbundwerkstoff wiegt somit deutlich weniger als heute übliche Sektionen. Dies markiert einen wichtigen Schritt im Flugzeugbau unter Einsatz neuartiger Hochleistungsmaterialien, da es das Fügen von hochfesten und schweißbaren Faserverbund-Großbauteilen ermöglicht.

Die Herausforderung bestand darin, Materialien wie PAEK zu verarbeiten, das eine für Kunststoffe vergleichsweise sehr hohe Wärmeform- und Temperaturbeständigkeit aufweist. „Herkömmliche Fertigungsverfahren für diese Materialien sind oft energieintensiv und aufwendig“, erläutert Dr. Langer. „Wir haben deshalb gemeinsam mit dem Projektpartner AIRBUS einen Verfahrensansatz entwickelt, in dem wir mittels einer gestuften Schäftungstechnologie Bauteile außerhalb des Autoklaven miteinander fügen können und zugleich hervorragende Festigkeitseigenschaften dieses Verbundes erreichen.“ Herkömmliche Verfahren seien in dieser Hinsicht limitiert, insbesondere wenn es um hohe Produktionsraten und großvolumige Bauteilstrukturen der Luftfahrt gehe. Dr. Langer betont: „Neue Materialklassen erfordern innovative Fertigungsmethoden. Erklärtes Ziel war es, am Multifunctional Fuselage Demonstrator das Rumpfgewicht um bis zu eine Tonne zu reduzieren.“ Über die Betriebsdauer des Flugzeugs hinweg betrachtet ließen sich aufgrund des geringeren Gewichts und einer verbesserten Integration der Systemarchitektur der Gesamtenergiebedarf, der Treibstoffverbrauch sowie der Ausstoß von Luftschadstoffen wie Kohlenstoffdioxid und Stickstoffoxiden signifikant senken. „Mit dem am Fraunhofer IWS entwickelten CONTIjoin-Verfahren ist uns somit ein wichtiger ökonomischer und ökologischer Schritt für die zukünftige Flugzeugentwicklung sowie angrenzende Anwendungen gelungen“, unterstreicht Dr. Maurice Langer.

Flugzeughalbschalen per Laser geschweißt

Der Schlüssel zum Erfolg lag für das Team darin, die Ober- und Unterschale des Flugzeugkorpus durch kontinuierliche Ablage mehrerer übereinander angeordneter Laminatstreifen, so genannter „Straps“, schrittweise miteinander zu verbinden. Die mit jedem Arbeitsschritt zunehmend von 60 bis 360 Millimeter breiter werdenden Streifen wurden hierzu automatisiert in eine auf den Oberflächen der Halbschalen eingebrachte Stufengeometrie (Schäftung) abgelegt. Die so erzeugten Überlappverbindungen stellen den zunächst unterbrochenen Kraftfluss des Faserverbundmaterials zwischen den Halbschalen wieder her und bilden einen verlässlich lastenübertragenden Verbund. „Eine weitere Besonderheit für diesen Prozess stellt die Wellenlänge des eingesetzten CO₂-Lasersystems dar“, fügt Dr. Langer hinzu. Das CONTIjoin-Verfahren biete den einzigartigen Vorteil, dass die Wellenlänge von 10,6 Mikrometern in dem relevanten Kunststoffanteil des Faserverbundmaterials eine deutlich höhere Einkopplung (Absorption) der Laserstrahlung aufweist, als die herkömmlich eingesetzten Faserlaser mit 1,06 Mikrometern. „Dadurch lässt sich der erforderliche Energieeintrag im Bereich der zu fügenden Grenzflächen zwischen den einzelnen Bauteilen auf ein Minimum reduzieren, wodurch die heute typischerweise nachfolgenden Prozessschritte vollständig entfallen.“

Technologien des Fraunhofer IWS machen den Unterschied

Ein weiterer essentieller Technologiebaustein stellt das ebenfalls am Dresdner Institut entwickelte „ESL2-100-Modul“ dar. „Damit können wir verschiedenste Sensorsignale verarbeiten und daraus abgeleitet entsprechende Steuerungsalgorithmen implementieren“, erläutert Peter Rauscher, Gruppenleiter High-Speed Laserbearbeitung am Fraunhofer IWS. „Das bietet sowohl die Möglichkeit der Überwachung als auch der adaptiven Steuerung des Schweißprozesses in Echtzeit. Mit herkömmlicher Ansteuerelektronik wäre dies nicht möglich. Damit gelingt es uns zum Beispiel neben der Regelung der Schweißtemperatur entlang des Schweißspalts auch die Position, Breite und Krümmung der Flugzeughalbschalen zu berücksichtigen.“

Das Setup bestand zudem aus zwei zusammenwirkenden Bewegungseinheiten, den so genannten Endeffektoren. Die Aufgaben des Straphandling-Endeffektors bestand darin, das aufzubringende Laminat während der kontinuierlichen Ablage präzise zu führen und es konturgetreu breitenabhängig an die Flugzeughalbschalen anzudrücken. Der zweite Endeffektor ermöglichte die Laserstrahlführung sowie pyrometrische Erfassung der Temperatur in der Fügezone. Jeder Endeffektor bewegte sich dafür synchron zum anderen auf einem eigenen linearen Achsensystem, um die Übertragung möglicher Vibrationen oder Verformungen durch das Andrücken der Laminatstreifen von der optischen Strahlführung des Lasersystems zu entkoppeln. Während die konzeptionelle Ausarbeitung und Umsetzung des gesamten Anlagen- sowie Steuerungssystems inklusive Mensch-Maschine-Schnittstelle auf einer vollständigen Eigenentwicklung beruhten, kamen bei den sonstigen eingesetzten Systemkomponenten wie beispielsweise Laserstrahlquelle, Pyrometer oder X-Y-Scannern, kommerziell erhältliche Industriekomponenten zum Einsatz.

Nächste Schritte: Technologiereife erhöhen und weitere Anwendungsgebiete erschließen

Auf diese Weise gelang es, sowohl die Technologieentwicklung als auch die Skalierung und Anwendung des Verfahrens anhand von Großstrukturen aus thermoplastischem Faserverbundmaterial wie dem MFFD zu demonstrieren. Der nächste Schritt besteht nun darin, das Technologie-Reife-Level (TRL) zu erhöhen und somit einen weiteren Schritt in Richtung Qualifizierung der Luftfahrttauglichkeit zu gehen. Dr. Langer erklärt: „Die entwickelte CONTIjoin-Technologie ist nicht nur für den Flugzeugbau interessant, sondern auch für andere Branchen. Die entwickelte Verfahrenslösung könnte so neben der Luftfahrt auch für Anwendungen im Schiffs-, LKW- und Aufliegerbau sowie im Schienenverkehr oder bei der Weiterentwicklung moderner Windenergieanlagen interessant sein.“ Eine Herausforderung bestehe darin, die Akzeptanz und den Einsatz sowohl der thermoplastischen Composite-Materialien als auch entsprechender Verfahren in den unterschiedlichen Branchen zu etablieren.