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Während die OEMs der Luft- und Raumfahrtindustrie lange Zeit auf duroplastische Kohlefasermaterialien für die Herstellung sehr stabiler Verbundstrukturteile für Flugzeuge angewiesen waren, nutzen sie nun eine andere Klasse von Kohlefasermaterialien, da der technologische Fortschritt eine automatisierte Herstellung neuer, nicht duroplastischer Teile in großen Stückzahlen und zu niedrigen Kosten verspricht geringeres Gewicht.

Thermoplastische Kohlefaser-Verbundwerkstoffe gibt es zwar schon „schon lange“, doch erst seit kurzem könnten Luft- und Raumfahrthersteller über deren weit verbreiteten Einsatz bei der Herstellung von Flugzeugteilen, einschließlich primärer Strukturkomponenten, nachdenken, sagte Stephane Dion, VP Engineering bei Collins Aerospaces Advanced Structures-Einheit.

Thermoplastische Kohlefaser-Verbundwerkstoffe bieten OEMs aus der Luft- und Raumfahrtindustrie möglicherweise mehrere Vorteile gegenüber Duroplast-Verbundwerkstoffen, doch bis vor Kurzem konnten Hersteller Teile aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen nicht in hoher Geschwindigkeit und zu geringen Kosten herstellen, sagte er.

In den letzten fünf Jahren haben OEMs damit begonnen, über die Herstellung von Teilen aus duroplastischen Materialien hinauszuschauen, da sich der Stand der Wissenschaft bei der Herstellung von Kohlefaser-Verbundteilen weiterentwickelte. Sie nutzten zunächst Harzinfusions- und Harztransferformverfahren (RTM) zur Herstellung von Flugzeugteilen und dann thermoplastische Verbundwerkstoffe einzusetzen.

GKN Aerospace hat stark in die Entwicklung seiner Harzinfusions- und RTM-Technologie für die kostengünstige und schnelle Herstellung großer Flugzeugstrukturkomponenten investiert. Laut Max Brown, Vizepräsident für Technologie für die fortschrittliche Technologieinitiative Horizon 3 von GKN Aerospace, fertigt GKN jetzt einen 17 Meter langen, einteiligen Flügelholm aus Verbundwerkstoff mithilfe der Harzinfusionsherstellung.

Zu den umfangreichen Investitionen der OEMs in die Verbundwerkstofffertigung in den letzten Jahren gehörten laut Dion auch strategische Investitionen in die Entwicklung von Kapazitäten, um die Massenfertigung thermoplastischer Teile zu ermöglichen.

Der bemerkenswerteste Unterschied zwischen duroplastischen und thermoplastischen Materialien besteht darin, dass duroplastische Materialien vor der Formung in Teile gekühlt gelagert werden müssen und ein duroplastisches Teil nach der Formung viele Stunden lang in einem Autoklaven aushärten muss. Die Prozesse erfordern viel Energie und Zeit, sodass die Produktionskosten von Duroplastteilen tendenziell hoch bleiben.

Durch die Aushärtung wird die Molekularstruktur eines duroplastischen Verbundwerkstoffs irreversibel verändert, wodurch das Teil seine Festigkeit erhält. Allerdings macht die Aushärtung im aktuellen Stand der technologischen Entwicklung das Material im Bauteil auch für die Wiederverwendung in einem primären Strukturbauteil ungeeignet.

Laut Dion erfordern thermoplastische Materialien jedoch keine Kühllagerung oder Backen, wenn sie zu Teilen verarbeitet werden. Sie können in die endgültige Form eines einfachen Teils – jede Halterung für die Rumpfspanten im Airbus A350 ist ein thermoplastisches Verbundteil – oder in eine Zwischenstufe eines komplexeren Bauteils gestanzt werden.

Thermoplastische Materialien lassen sich auf verschiedene Weise miteinander verschweißen, so dass aus einfachen Unterkonstruktionen komplexe, formstarke Teile entstehen können. Heutzutage wird hauptsächlich das Induktionsschweißen verwendet, was laut Dion nur die Herstellung flacher Teile mit konstanter Dicke aus Unterteilen ermöglicht. Collins entwickelt jedoch Vibrations- und Reibschweißtechniken zum Verbinden thermoplastischer Teile, die nach der Zertifizierung voraussichtlich die Herstellung „wirklich fortschrittlicher komplexer Strukturen“ ermöglichen werden, sagte er.

Die Fähigkeit, thermoplastische Materialien zu komplexen Strukturen zusammenzuschweißen, ermöglicht es Herstellern, auf die Metallschrauben, Befestigungselemente und Scharniere zu verzichten, die bei duroplastischen Teilen zum Zusammenfügen und Falten erforderlich sind, wodurch ein Gewichtseinsparungsvorteil von etwa 10 Prozent entsteht, schätzt Brown.

Laut Brown haften thermoplastische Verbundwerkstoffe jedoch besser an Metallen als duroplastische Verbundwerkstoffe. Während die industrielle Forschung und Entwicklung, die darauf abzielt, praktische Anwendungen für diese thermoplastische Eigenschaft zu entwickeln, sich noch „auf einem frühen Technologiereifeniveau“ befindet, könnte sie es Luft- und Raumfahrtingenieuren schließlich ermöglichen, Komponenten zu entwerfen, die integrierte Hybridstrukturen aus Thermoplast und Metall enthalten.

Eine mögliche Anwendung könnte beispielsweise ein einteiliger, leichter Passagiersitz eines Verkehrsflugzeugs sein, der alle metallbasierten Schaltkreise enthält, die für die Schnittstelle erforderlich sind, über die der Passagier seine Unterhaltungsoptionen an Bord, die Sitzbeleuchtung und den Deckenventilator auswählt und steuert , elektronisch gesteuerte Sitzneigung, Lichtundurchlässigkeit des Fensterrollos und andere Funktionen.

Im Gegensatz zu duroplastischen Materialien, die ausgehärtet werden müssen, um den Teilen, zu denen sie verarbeitet werden, die erforderliche Steifigkeit, Festigkeit und Form zu verleihen, ändern sich laut Dion die molekularen Strukturen thermoplastischer Verbundmaterialien nicht, wenn sie zu Teilen verarbeitet werden.

Infolgedessen sind thermoplastische Materialien bei Stößen weitaus bruchsicherer als duroplastische Materialien und bieten gleichzeitig eine ähnliche, wenn nicht sogar stärkere strukturelle Zähigkeit und Festigkeit. „So können Sie [Teile] in viel dünneren Stärken konstruieren“, sagte Dion, was bedeutet, dass thermoplastische Teile weniger wiegen als alle duroplastischen Teile, die sie ersetzen, selbst abgesehen von den zusätzlichen Gewichtsreduzierungen, die sich aus der Tatsache ergeben, dass thermoplastische Teile keine Metallschrauben oder -befestigungen benötigen .

Auch das Recycling thermoplastischer Teile dürfte sich als einfacherer Prozess erweisen als das Recycling von duroplastischen Teilen. Beim aktuellen Stand der Technik (und für einige Zeit) verhindern die irreversiblen Veränderungen der Molekularstruktur, die durch die Aushärtung duroplastischer Materialien entstehen, die Verwendung von recyceltem Material zur Herstellung neuer Teile mit gleicher Festigkeit.

Beim Recycling von Duroplastteilen werden die Kohlenstofffasern im Material in kleine Stücke zermahlen und die Faser-Harz-Mischung vor der Wiederaufbereitung verbrannt. Das für die Wiederaufbereitung gewonnene Material ist strukturell schwächer als das duroplastische Material, aus dem das recycelte Teil hergestellt wurde, sodass durch das Recycling von duroplastischen Teilen in neue Teile typischerweise „eine Sekundärstruktur in eine Tertiärstruktur umgewandelt wird“, sagte Brown.

Da sich andererseits die Molekularstrukturen thermoplastischer Teile bei der Teileherstellung und der Teileverbindung nicht verändern, können sie laut Dion einfach in flüssige Form eingeschmolzen und zu Teilen verarbeitet werden, die genauso stark sind wie die Originale.

Flugzeugkonstrukteure können bei der Konstruktion und Herstellung von Teilen aus einer großen Auswahl verschiedener thermoplastischer Materialien wählen. „Eine ziemlich große Auswahl an Harzen“ steht zur Verfügung, in die eindimensionale Kohlefaserfilamente oder zweidimensionale Gewebe eingebettet werden können, wodurch unterschiedliche Materialeigenschaften entstehen, sagte Dion. „Die aufregendsten Harze sind die niedrig schmelzenden Harze“, die bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzen und daher bei niedrigeren Temperaturen geformt und geformt werden können.

Verschiedene Klassen von Thermoplasten bieten laut Dion auch unterschiedliche Steifigkeitseigenschaften (hoch, mittel und niedrig) und Gesamtqualität. Die hochwertigsten Harze kosten am meisten, und die Erschwinglichkeit stellt für Thermoplaste im Vergleich zu duroplastischen Materialien die Achillesferse dar. Normalerweise kosten sie mehr als Duroplaste, und Flugzeughersteller müssen diese Tatsache bei ihren Kosten-Nutzen-Designberechnungen berücksichtigen, sagte Brown.

Teilweise aus diesem Grund werden sich GKN Aerospace und andere bei der Herstellung großer Strukturteile für Flugzeuge weiterhin hauptsächlich auf duroplastische Materialien konzentrieren. Sie verwenden bereits in großem Umfang thermoplastische Materialien zur Herstellung kleinerer Strukturteile wie Leitwerke, Ruder und Spoiler. Bald jedoch, wenn die kostengünstige Herstellung leichter Thermoplastteile in großen Stückzahlen zur Routine wird, werden die Hersteller sie viel häufiger einsetzen – insbesondere im aufstrebenden eVTOL-UAM-Markt, schlussfolgerte Dion.

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