Um die ambitionierten Klimaziele der Luftfahrt zu erreichen, müssen zukünftige Flugzeuggenerationen deutlich leichter und nachhaltiger gebaut werden. Bestehende Fertigungsprozesse für Faserverbundstrukturen sind oft zu langsam, kosten- und energieintensiv für angestrebte Produktionsraten von über 70 Flugzeugen pro Monat. Konventionelle Faserverbund-Bauweisen schöpfen das volle Leichtbaupotenzial von CFK-Material nicht aus. Es fehlt an durchgängigen, industrialisierten Prozessketten für komplexe Rumpf-Hinterbaustrukturen, die sowohl Gewichtsziele als auch Anforderungen an eine automatisierte Hochratenfertigung erfüllen.
Projektziel
Das durch das das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogrammes VII-1 geförderte Verbundvorhaben HERA (Hochratenfähige Einfach gekRümmte Hinterbaustrukturen in Faserverbund Architektur) zielt auf die Entwicklung und Validierung von CFK-Technologien für innovative, hochratenfähige und nachhaltige Hinterbaustrukturen (Spante, Türumgebungen, Kleinbauteile) für zukünftige Flugzeuggenerationen ab. Fokussiert wird die industrielle Forschung in der Fachdisziplin der Herstellverfahren von CFK-Strukturen, sowie in die Erarbeitung von optimierten Architekturkonzepten in Faserverbundbauweise, um eine maximale Gewichtseinsparung im Rumpf zu erreichen. Bis Ende der Projektlaufzeit sollen durch die Fertigung von Validatoren die technologische Umsetzbarkeit nachgewiesen und die Prozessketten hinsichtlich Hochratenfähigkeit, Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit bewertet werden.
Durchführung
Die Arbeiten im Verbund sind in vier Hauptarbeitspakete gegliedert: Anforderungen & Bewertung, Hochkadenzfähige Kleinbauteile, Nachhaltige Großbauteile sowie Validation & Verwertung. Airbus Operations GmbH ist der Verbundführer dieses Vorhabens. Alle Verbundpartner aus Industrie und Forschung entwickeln Schlüsseltechnologien wie automatisierte Ablegeverfahren, innovative Preforming-Technologien und effiziente Konsolidierungsverfahren. Im Rahmen des Projekts werden Werkzeugkonzepte für eine resiliente Großratenfertigung entwickelt, Prozesse an Validatoren erprobt und die Ergebnisse durch Strukturtests und zerstörungsfreie Prüfungen validiert.
Das Konsortium besteht aus folgender Partnerlandschaft: Airbus Operations GmbH, Airbus Aerostructures GmbH, Cevotec GmbH, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Xelis GmbH.
Das DLR im Forschungsverbund HERA
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt ist mit dem Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie (Standorte Stuttgart und Augsburg) sowie dem Institut für Systemleichtbau am Forschungsverbund HERA beteiligt. Im Fokus stehen innovative Leichtbautechnologien, simulationsgestützte Fertigungsprozesse und zerstörungsfreie Prüftechnologien für die Luftfahrtindustrie, insbesondere für die Spantfertigung.
Verzugssimulation und Prozessoptimierung in der Spantfertigung
Das DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie am Standort Stuttgart entwickelt und validiert moderne Verzugssimulationen für unterschiedliche Spant-Konfigurationen in der Luftfahrtfertigung. Ziel ist die möglichst vollständige Kompensation von fertigungsinduziertem thermischem Verzug durch kombinierte Umform- und Thermosimulationen. Auf Basis der weiterentwickelten Simulationsmodelle werden Gestaltungsempfehlungen für Formwerkzeuge sowie optimierte Prozessparameter für die Composite-Fertigung abgeleitet. Dadurch wird eine shim-freie Montage von Strukturbauteilen in der Luftfahrt ermöglicht, was die Fertigungsqualität erhöht und Nachbearbeitungsaufwand reduziert.
Strukturelle Validierung von Spantkonfigurationen im Leichtbau
Das DLR-Institut für Systemleichtbau untersucht und validiert das strukturelle Verhalten neuer Spantkonfigurationen für Leichtbaustrukturen in der Luftfahrt. Dafür wird eine 4-Punkt-Biege-Testvorrichtung in Kombination mit simulationsgestützten Methoden entwickelt. Anschließend werden gefertigte Spantsegmente auf dem Prüfstand getestet und damit das mechanische Verhalten validiert, um Rückschlüsse für das Design abzuleiten.
Automatisierte zerstörungsfreie Prüfung mit lasergekoppeltem Ultraschall
Das DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie am Standort Augsburg (Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie) entwickelt ein hochratenfähiges Prüfkonzept für die zerstörungsfreie Prüfung (Non-Destructive Testing, NDT) auf Basis lasergekoppelter Ultraschallverfahren. Zunächst werden spezifische geometrische Herausforderungen in der Spantfertigung analysiert und validiert. Darauf aufbauend entsteht ein automatisiertes Prüfkonzept für die Hochraten-Spantproduktion, das im Full-Scale-Maßstab demonstriert wird. Ziel ist eine effiziente, zuverlässige und industrielle Qualitätsprüfung von Luftfahrtstrukturen in der Serienfertigung.
Die hier dargestellten Ergebnisse entstanden im Forschungsvorhaben HERA (FKZ: 20W2405B) im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms VII-1, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.
