Hochratenproduktion Forscher bauen den größten CFK-Flugzeugrumpf der Welt

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Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)

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IFAM-Forscher melden Meilensteine für den sauberen und nachhaltigen Flugverkehr von morgen, mit denen rund 10 Prozent Gewicht und 10 Prozent Kosten per Hochratenproduktion gespart werden können ...

Sowohl für die Produktion als auch für den Betrieb von Passagierflugzeugen werden dringend klimafreundliche Alternativen benötigt, die dabei helfen, noch mehr Ressourcen zu sparen. Außer neuen Antrieben unterstützen das auch ein geringeres Strukturgewicht und weniger Herstellungsaufwand, wie es weiter heißt. Beides kann durch neue Bauweisen verringert werden, wie sie insbesondere CFK-Werkstoffe mit thermoplastischer Matrix ermöglichen. Im Rahmen des von der EU geförderten „Clean-Sky 2-/Clean Aviation-Projekts“ „Large Passenger Aircraft“ (LPA) hat die Fraunhofer-Gesellschaft in Stade mit internationalen Projektpartnern eine maßstabsgetreue Ober- und Unterschale des „Multi Functional Fuselage Demonstrators“ (MFFD) durch automatisierte Positionier- und Fügeprozesse miteinander verbunden. Das Verschweißen der zwei Längsnähte der beiden rund 8 Meter langen CFK-Halbschalen (carbonfaserverstärkter Kunststoff), die einen Durchmesser von etwa 4 Metern haben, schloss die Herstellung des größten thermoplastischen CFK-Flugzeugrumpfsegments der Welt erfolgreich ab, wie die Projektpartner betonen (Bild 1). Damit könnten die Machbarkeit sowie die ökologischen und ökonomischen Vor- und Nachteile fundiert bewerten werden.

Weitgehend nietfreie Flugzeugrumpfmontage

Als Fügeverfahren zum Schließen des Flugzeugrumpfsegments wurden mit dem Projektkoordinator Airbus das CO₂-Laserschweißen für die linke Längsnaht sowie das Ultraschallschweißen für die rechte Längsnaht ausgewählt. Beide Verfahren bieten den Vorteil des staubfreien Fügens, was für das übliche Nieten nicht gilt. Allerdings wurden sie bisher weder in der Produktion noch in der Forschung bei so großen CFK-Bauteilen und mit den hier benötigten speziellen Qualitätsanforderungen angewendet, wie man betont. Staubfreies Fügen sei wegen der erstmalig durchgeführten Vorintegration beider Schalen mit einer Vielzahl von ebenfalls schweißtechnisch montierten Struktur- und Systemkomponenten wichtig, die ein nachträgliches Entfernen von Staub und Spänen nicht zulasse. Beigestellt wurde die im Autoklav unter Druck und Temperatur verfestigte (konsolidierte) Thermoplastunterschale aus dem LPA-Projekt „STUNNING«“ von einem Konsortium aus GKN Fokker, Diehl Aviation, Netherlands Aerospace Centre – NLR und der Technischen Universität Delft. Die thermoplastische, mittels Tape-Legeverfahren (in-situ-Konsolidierung) hergestellte Oberschale stammt von einem Konsortium aus Premium Aerotec, Airbus, Aernnova und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – DLR ZLP.

Flugzeugbau mit einem hohen Grad an Vorintegration

Beide Schalen stellten insbesondere aufgrund des hohen Grads der Vorintegration etwas Neues dar. Aber auch die weitgehend nietfreie Bauweise und die im Vergleich zur herkömmlichen Bauart so erzielte Gewichtsreduktion von 10 Prozent seien beeindruckend. Dabei erhöhe die automatisierte Vorintegration die Effizienz beim Bau und sorge für eine hohe örtliche Flexibilität mit Blick auf eine Hochratenproduktion bei rund 10 Prozent weniger Kosten, weil nicht mehr wie bisher alle Bauteile in den geschlossenen Rumpf gebracht und dort unter beengten Verhältnissen manuell montiert werden müssten. Andererseits spart das geringere Gewicht entsprechend Treibstoff.

Flugzeugrumpfmontage so automatisch wie möglich

Zusammen mit dem Partner FFT Produktionssysteme hat die Fraunhofer-Gesellschaft am Forschungszentrum CFK NORD in Stade die automatisierte Montageforschungsplattform für den MFFD inklusive der zentralen Anlagen- und Prozesssteuerung entworfen und errichtet (Bild 2). Andere Projektpartner haben danach ihre Technologiebausteine in die Plattform integriert, wie es weiter heißt. Zu den weiteren Aufgaben der Fraunhofer-Experten entlang der Prozesskette gehörte auch das Einrüsten der Unterschale mittels einer eigens entwickelten Aufnahme. Diese erlaube es nämlich, die Unterschale für die Folgeprozesse hochgenau im Montageraum auszurichten.

Danach wurde die Oberschale mit dem Hallenkran eingeschleust. Alle weiteren Prozessschritte liefen vollständig automatisiert ab, wie die Forscher unterstreichen. Beide Rumpfschalen wurden außerdem submillimetergenau zueinander positioniert. Das übernahmen 10 Hexapod-Roboter, die mithilfe von Lasersensoren jederzeit die optimale Form und Lage der Schalen einstellten und bei Bedarf nachjustierten.

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