Seit den ersten Airbustagen gehören flügelrelevante Entwicklungsaufgaben zum speziellen Know-How am Standort Bremen. Seit mit der Aufnahme der Entwicklung der A380 Ende der 90er Jahre Airbus den Schritt zur integrierten Firma gewagt hat, ist an Stelle der Konkurrenz der Teams und ihrer Ideen eine Konzentration auf die Kernkompetenzen getreten.
Die A380 verkörperte erstmals die Arbeitsteilung, die später auch den gesamten Anteil Bremens an der Flügelentwicklung beschreiben sollte: von hier wurden die Ingenieure gesteuert, die maßgeblich die Auslegung die Hochauftriebskomponenten an der Vorder- und an der Hinterkante des Flügels der A380 vorantreiben sollten.
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Funktionsfähiger 1:1 Slat-Demonstrator in thermoplastischer Bauweise, Ansicht auf Innenrippe
Für heutzutage verkehrende Flugzeuge sind so genannte Hochauftriebssysteme ein Muss. In Form von Landeklappen und Vorflügeln gewährleisten sie, auf den derzeit zur Verfügung stehenden Flächen der Flughäfen sicher zu starten und zu landen. Auch die Bauweise mit kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) ist aus dem Flugzeugbau nicht mehr wegzudenken, denn mit ihr lassen sich hocheffiziente Leichtbaustrukturen herstellen. Für die Landeklappen hat sich die Verwendung von CFK schon lange bewährt. Doch wie sieht es mit den Vorflügeln aus? Diese Vorderkanten des Flügels werden besonders beansprucht: Vogelschlag müssen sie standhalten, ihre Vereisung muss verhindert werden. Eine nationale Forschergruppe aus öffentlichen Einrichtungen und Industrie ging der Frage in einem vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWI) geförderten Projekt nach.
Der Widerspruch zwischen der dynamischen Krafteinwirkung im Falle eines Vogelschlags und einer hochsteifen, aber spröden CFK-Struktur stellt Forscher und Materialwissenschaftler seit dem Einzug dieser Materialien in den Flugzeugbau immer wieder vor das gleiche Problem: Einerseits verspricht der Einsatz dieser hochsteifen, in Kombination mit duromerer oder thermoplastischer Matrix vorliegender Hochleistungswerkstoffe ein hohes Potenzial zur Gewichtsreduktion. Gleichzeitig aber bringt genau diese Steifigkeit eine geringe Dehnfähigkeit mit sich. Die Folge: Im Falle einer schlagartigen Belastung wie beim Vogelschlag kann die Energie nur bedingt in Deformation umgewandelt werden, es besteht Bruchgefahr. Aus diesem Grund wurden bis heute noch keine Verkehrsflugzeuge mit Vorflügeln aus CFK-Werkstoffen in Serie hergestellt.
Funktional bei jedem Wetter
 Position des untersuchten Vorflügels am Flugzeug (Slat No.4 von 7) |
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Dieser Aspekt war eine der großen Herausforderungen, denen sich die nationale Forschergruppe bestehend aus EADS – Innovation Works (Ottobrunn), Leibnitz-Institut für Polymerforschung (Dresden) und DLR-Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung, Stuttgart, unter Federführung von Airbus Deutschland zu stellen hatte. Das Ziel in dem Forschungsprojekt „Neuer CFK-Vorflügel“ war, die etablierte metallische Bauweise der Vorflügel (englisch: Slat), dem an der Flügelvorderkante liegenden Teil des High-Lift-Systems, im Hinblick auf eine zukunftsweisende CFK Bauweise zu hinterfragen. High-Lift-Systeme – bestehend aus Vorflügeln und Landeklappen – sind eine Notwendigkeit für konventionelle Verkehrsflugzeuge, um auf den existierenden Pisten sicher starten und landen zu können. Um die Vergleichbarkeit mit den bereits etablierten Vorflügeln gewährleisten zu können, wurde der Untersuchung das Slat No. 4 eines Airbus A340-600 zu Grunde gelegt. Dieser Vorflügel besteht aus einer Aluminiumlegierung und wird mittels heißer Zapfluft aus dem Triebwerk von Eis freigehalten. Für einen Slat in CFK-Bauweise muss einerseits das Design unter Berücksichtigung der Funktionalität und der Widerstandsfähigkeit gegen Vogelschlag, der so genannten Impact-Toleranz, gestaltet werden. Andererseits muss auch die Enteisungsmethode dem neuen CFK-Werkstoff Rechnung tragen. |
Nachgeben statt Brechen
Generischer Slat-Versuchskörper vor Beschussversuch
Von Beginn des Projekts an war der Vogelschlag auf den Vorflügel der springende Punkt vieler Entscheidungen. Zunächst musste die prinzipielle Tauglichkeit der zum Einsatz vorgesehenen Werkstoffe experimentell nachgewiesen werden. Als Material für die Hauptkomponenten sollte ein thermoplastisches Prepregmaterial verwendet werden. Damit ist man bei den Fügeverfahren nicht mehr auf die konventionellen Fügetechniken wie Nieten bzw. Kleben begrenzt. Die Wahl fiel auf ein kohlenstofffaserverstärktes Poly-Ether-Ether-Keton (CF-PEEK), ein teilkristallines ochleistungspolymer, welches aufgrund seiner Duktilität, also der Fähigkeit des Nachgebens, bei Vogelschlag Vorteile gegenüber den konventionellen Duromeren hat. In Vorversuchen und Fertigungsstudien wurden symmetrische Versuchskörper (so genannte Generic Slats) eingesetzt. Damit konnten die Wissenschaftler die Randbedingungen für verschiedene Ansätze zur kostengünstigen Herstellung von Außenschalen möglichst einfach gestalten und parallel Simulationsmodelle entwickeln.
Letztlich wurde die Außenschale in einer Negativform in einem Vakuumkonsolidierungsverfahren im Heißluftofen gefertigt. Sämtliche Verstärkungen und Absätze wurden dabei direkt beim Herstellungsprozess abgebildet. Dies bedeutet, dass die komplette Außenschale aus Faserverbundmaterial, so genannten thermoplastischen UD-Tapes, in diesem Fall CF-PEEK, in einem Arbeitsgang vollständig ohne Verwendung von Autoklaven hergestellt werden kann. Aufgrund der hohen Verarbeitungstemperatur von ca. 380 Grad Celsius sowie der elektrischen Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern mussten die im Flugzeugbau bereits eingesetzten Schweißverfahren modifiziert werden. Das bedeutete auch umfangreiche Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung von Schweißverbindungen der Größe 50 mal 750 Millimeter. Letztlich stellte sich ein Widerstandsschweißverfahren auf Basis elektrisch isolierter Edelstahl-Heizelemente als geeignet heraus, um es für diese Anwendung zu spezialisieren und damit die Demonstratoren zu fertigen.
Strukturen günstig fertigen
Vergleich Simulation (links) und Beschuss (rechts) generischer Slat-Versuchskörper |
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Parallel zur Fertigung entwickelten die Wissenschaftler Simulationsmodelle für diverse Materialien und glichen diese mit statischen und dynamischen Versuchen ab. Ziel war es, numerische Methoden zur Auslegung und Dimensionierung von Primärstrukturen mit minimalem Fertigungsaufwand zu finden, um so die Entwicklungskosten so gering wie möglich zu halten. Durch den Bau mehrerer Prototypen einer Vorflügelsektion im Maßstab 1:1 konnten neben den Fertigungsverfahren auch die Simulationsergebnisse verifiziert werden. Entsprechend der Evaluation durch Airbus wurde, verglichen mit dem Strukturgewicht des metallischen Vorflügels (A340-600, Slat 4), durch die CFK-Bauweise eine deutliche Gewichtseinsparung von zehn bis 20 Prozent erreicht. Gleichzeitig wurde ein Weg gefunden, Eisansätze auf dem Vorflügel zu vermeiden. Dabei wird auf den bisher üblichen Einsatz von Zapfluft aus dem Triebwerk verzichtet. Die Forscher entwickelten ein elektro-thermisches Heizelement, das lokal variable Heizleistungen generieren kann.
Die Wissenschaftler des Instituts für Bauweisen- und Konstruktionsforschungkonnten mit diesem Projekt erfolgreichan die Ergebnisse des Forschungsprogramms „Fortschrittliche Flugzeug-Strukturen (FFS I)“ aus den Jahren 1996 bis 1999 anknüpfen, in dem ein Seitenruder für ein generisches Kampfflugzeug entwickelt worden war, das ebenfalls aus CF-PEEK hergestellt wurde. |
Ergebnis Beschuss generischer Slat-Versuchskörper (links) und Simulation (rechts)
Durch die Bündelung der Fachkompetenzen von DLR und den Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft konnte so innerhalb relativ kurzer Zeit die Vorentwicklung einer Primärstruktur für ein Verkehrsflugzeug realisiert werden.
Die Forschungsergebnisse werden nach Aussage von Airbus direkt einfließen in die Entwicklung der Vorflügel 6 und 7 für die A350 XWB, die in Hybridbauweisen realisiert werden sollen.