Große Sandwich-CFK-Bauteile automatisiert fertigen

Er ist schnell, leicht und verbraucht wenig Treibstoff: Der High-Speed-Helikopter Racer von Airbus bringt es auf neue Rekord-Fluggeschwindigkeiten von bis zu 400 km/h. Die 3,4 x 1,5 Meter großen Schalenbauteile seiner Außenhaut werden mit einem neuen hochautomatisierten Fertigungsverfahren hergestellt. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts IGCV hat das Verfahren gemeinsam mit Airbus Helicopters entwickelt.

Die Decklagen der Seitenschalen des Helikopters bestehen aus CFK, der Sandwichkern aus Phenolharzwaben. Bislang werden solche großformatigen Sandwich-CFK-Bauteile manuell im Handlegeverfahren gefertigt – ein zeitaufwändiger, kostspieliger Prozess.

„Die Schalen wurden auch bislang mit kohlenstofffaserverstärkten Leichtbaumaterialien gefertigt, aber wir haben den Herstellungsprozess weiterentwickelt. Er basiert jetzt auf dem sogenannten Automated Fiber Placement Prozess.“
Thomas Zenker, Wissenschaftler am Fraunhofer IGCV.

Ein Roboter legt die endlosfaserverstärkten, vorimprägnierten Materialien automatisiert ab. Dabei werden unidirektionale Tapes (UDT) verwendet, die bessere mechanische Eigenschaften aufweisen und weniger Verschnitt verursachen als gewebebasierte Composites-Halbzeuge. Der Sandwichkern aus Phenolharzwaben trägt zur Steifigkeit des Verbunds bei, die Decklagenfasern sorgen für die Festigkeit. Ein Klebefilm stellt die Krafteinleitung zwischen Kern und Decklagen sicher.

Die Faserablage folgt einer eigens entwickelten Programmiermethodik. Das Werkzeugkonzept wurde speziell für diese Prozesskette entwickelt. Seine Oberfläche definiert die Form, die die Fasern bei der automatisierten Ablage annehmen sollen. Dabei werden die komplexen Geometrien der unterschiedlich geformten Sandwichtaschen berücksichtigt. Die Tapes werden also genau dort platziert, wo die Struktur des späteren Bauteils es erfordert.

Abhängig von Schichtung und Fasern erreicht ein per Automated Fiber Placement (AFP) hergestelltes CFK-Bauteil eine höhere Belastbarkeit als ein Stahlelement, während es deutlich weniger wiegt. Durch das eingesparte Material reduziert sich das Gewicht der Schalensegmente um fünf Prozent. Je nach verwendetem Energiemix bei der Produktion kann der ökologische Fußabdruck damit um bis zu 15 Prozent pro Schalensegment verbessert werden.

Darüber hinaus bringt das weiterentwickelte Fertigungsverfahren für die Sandwich-CFK-Bauteile zusätzliche Vorteile mit sich: So sind Zenker und sein Team in der Lage, die Produktionsabfälle durch den effizienteren Prozess von 45 auf 20 Prozent zu senken. Je nachdem, wie viele Helikopter hergestellt werden, ist durch den automatischen Prozess im Vergleich zur konventionellen Fertigung im Handlegeverfahren außerdem eine Produktionskosten-Einsparung möglich. Bei einer Produktionsrate von 65 Helikoptern pro Jahr liegt diese beispielsweise bei 20 Prozent.

Bild oben: Die Seitenschalen werden per Automated Fiber Placement hergestellt. (Quelle: Fraunhofer IGCV)

Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung, Plastverarbeiter