Composites in the Aircraft Industry/de

Die Rolle von Verbundwerkstoffen in der Luftfahrtindustrie

Verwendung unterschiedlicher Materialien im Boeing 787 Dreamliner. ^{[ 1 ]}

Fiberglas ist der am häufigsten verwendete Verbundwerkstoff und besteht aus Glasfasern, die in eine Harzmatrix eingebettet sind. Fiberglas wurde erstmals in den 1950er Jahren für Boote und Autos verwendet. Fiberglas wurde erstmals in den 1950er Jahren im Passagierflugzeug Boeing 707 verwendet , wo es etwa zwei Prozent der Struktur ausmachte. Mit jeder neuen Flugzeuggeneration von Boeing wurde der Anteil an Verbundwerkstoffen erhöht; der höchste Anteil betrug 50 % im 787 Dreamliner .

Der Boeing 787 Dreamliner wird das erste Verkehrsflugzeug sein, bei dem wichtige Strukturelemente aus Verbundwerkstoffen statt aus Aluminiumlegierungen bestehen. ^{[ 1 ]} Bei diesem Flugzeug wird man von veralteten Glasfaserverbundwerkstoffen zu moderneren Kohlenstofflaminat- und Kohlenstoff-Sandwich-Verbundwerkstoffen übergehen. Es sind Probleme mit dem Flügelkasten des Dreamliners aufgetreten, die auf eine unzureichende Steifigkeit der zum Bau des Teils verwendeten Verbundwerkstoffe zurückgeführt wurden. ^{[ 1 ]} Dies hat zu Verzögerungen bei den ursprünglichen Auslieferungsterminen des Flugzeugs geführt. Um diese Probleme zu lösen, versteift Boeing die Flügelkästen, indem es bereits gebaute Flügelkästen mit neuen Halterungen ausstattet und noch zu bauende Flügelkästen modifiziert. ^{[ 1 ]}

Prüfung von Verbundwerkstoffen

Aufgrund der Komplexität des Materials ist es schwierig, die Leistung eines Verbundteils durch Computersimulation genau zu modellieren. Verbundwerkstoffe werden oft übereinander geschichtet, um die Festigkeit zu erhöhen. Dies erschwert jedoch die Testphase vor der Herstellung, da die Schichten in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind, wodurch sich ihr Verhalten beim Testen nur schwer vorhersagen lässt. ^{[ 1 ]}

An den Teilen können auch mechanische Belastungstests durchgeführt werden. Diese Tests beginnen mit kleinen Modellen, werden dann zu immer größeren Teilen der Struktur und schließlich zur Gesamtstruktur fortgeführt. Die Strukturteile werden in hydraulische Maschinen eingesetzt, die sie biegen und verdrehen, um Belastungen zu simulieren, die weit über die schlimmsten zu erwartenden Bedingungen bei echten Flügen hinausgehen.

Faktoren der Verwendung von Verbundwerkstoffen

Die Gewichtsreduzierung ist der größte Vorteil der Verwendung von Verbundwerkstoffen und einer der wichtigsten Entscheidungsfaktoren bei der Auswahl. Weitere Vorteile sind die hohe Korrosionsbeständigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsschäden. Diese Faktoren tragen auf lange Sicht zur Senkung der Betriebskosten des Flugzeugs bei und verbessern dessen Effizienz weiter. Verbundwerkstoffe haben den Vorteil, dass sie im Formverfahren in nahezu jede beliebige Form gebracht werden können, was jedoch das ohnehin schon schwierige Modellierungsproblem noch verschärft.

Ein großer Nachteil bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen besteht darin, dass es sich um ein relativ neues Material handelt und daher hohe Kosten verursacht. Die hohen Kosten sind auch auf den arbeitsintensiven und oft komplexen Herstellungsprozess zurückzuführen. Verbundwerkstoffe lassen sich nur schwer auf Fehler untersuchen und einige von ihnen absorbieren Feuchtigkeit.

Obwohl Aluminium schwerer ist, lässt es sich im Vergleich dazu leicht herstellen und reparieren. Es kann Dellen oder Löcher bekommen und trotzdem zusammenhalten. Bei Verbundwerkstoffen ist das nicht der Fall. Wenn sie beschädigt werden, müssen sie sofort repariert werden, was schwierig und teuer ist.

Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix

Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) unternimmt große Anstrengungen, um leichte, temperaturbeständige Verbundwerkstoffe für den Einsatz in Flugzeugteilen zu entwickeln. Auf Grundlage vorläufiger Berechnungen werden für die Turbineneinlässe eines Konzepttriebwerks Temperaturen von bis zu 1650°C erwartet. ^{[ 3 ]} Damit die Werkstoffe solchen Temperaturen standhalten, ist der Einsatz von Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen (CMCs) erforderlich. Der Einsatz von CMCs in modernen Triebwerken ermöglicht außerdem eine Erhöhung der Betriebstemperatur des Triebwerks und damit eine höhere Ausbeute. ^{[ 10 ]} Obwohl CMCs vielversprechende Strukturwerkstoffe sind, ist ihre Anwendung aufgrund des Mangels an geeigneten Verstärkungsmaterialien, Verarbeitungsschwierigkeiten, Lebensdauer und Kosten begrenzt.

Spinnenseidefasern

Bisher ist es den Wissenschaftlern nicht gelungen, Spinnenseide perfekt nachzusynthetisieren.

Spinnenseide ist ein weiteres vielversprechendes Material für die Verwendung als Verbundwerkstoff. Spinnenseide hat eine hohe Duktilität, so dass eine Faser auf bis zu 140 % ihrer normalen Länge gedehnt werden kann. ^{[ 11 ]} Spinnenseide behält ihre Festigkeit auch bei Temperaturen von bis zu -40°C. ^{[ 11 ]} Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich Spinnenseide ideal als Fasermaterial zur Herstellung dehnbarer Verbundwerkstoffe, die ihre Festigkeit auch bei anormalen Temperaturen behalten. Dehnbare Verbundwerkstoffe werden sich bei Flugzeugteilen als vorteilhaft erweisen, die unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise an der Verbindung eines Flügels mit dem Hauptrumpf. Die höhere Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität eines solchen Verbundwerkstoffs ermöglicht die Ausüben größerer Belastungen auf das Teil oder die Verbindung, bevor es zu einem katastrophalen Versagen kommt. Verbundwerkstoffe auf Basis synthetischer Spinnenseide haben den Vorteil, dass ihre Fasern biologisch abbaubar sind.

Es wurden viele erfolglose Versuche unternommen, Spinnenseide im Labor zu reproduzieren, eine perfekte Resynthese ist jedoch bisher nicht gelungen. ^{[ 12 ]}

Hybridverbundstahlbleche

Ein weiteres vielversprechendes Material kann rostfreier Stahl sein, der auf der Grundlage von Verbundwerkstoffen, Nanotechnologiefasern und Sperrholz hergestellt wird. Die Stahlbleche bestehen aus demselben Material und können genauso verarbeitet und bearbeitet werden wie herkömmlicher Stahl. Bei gleicher Festigkeit sind sie jedoch um einige Prozent leichter. Dies ist insbesondere für den Fahrzeugbau von Vorteil. Das zum Patent angemeldete schwedische Unternehmen Lamera ist ein Spin-off der Forschung von Volvo Industries.