Verbundwerkstoffe im Flugzeugbau
©2010
Studienarbeit
35 Seiten
Zusammenfassung
Aufgrund hervorragender technologischer Eigenschaften und der Möglichkeit diese durch Stoffzusammensetzung zu beeinflussen, sind Verbundwerkstoffe aus einer Vielzahl von Produkten nicht mehr wegzudenken. Vor allem das geringe Gewicht, die hohe Zähigkeit und die besondere Härte machen den Werkstoff interessant für technisch hochanspruchsvolle Produkte. Im Flugzeugbau sind Verbundwerkstoffe seit Mitte der 1970 Jahre fester Bestandteil des Produktes und gewinnen seitdem mehr und mehr an Bedeutung. In dieser Arbeit soll zu Beginn eine allgemeine Übersicht über Verbundwerkstoffe gegeben werden. Dann soll tiefer auf faserverstärkte Verbundwerkstoffe eingegangen werden. Im weiteren Verlauf wird der Fokus auf die Herstellung, die Eigenschaften und den Einsatz selbiger gelegt. Anschließend soll dem Leser der Einsatz von Verbundwerkstoffen im Flugzeugbau im allgemeinen und bei der Firma Airbus im Besonderen nähergebracht werden.
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
Aufgrund hervorragender technologischer Eigenschaften und der Möglichkeit
diese durch Stoffzusammensetzung zu beeinflussen, sind Verbundwerkstoffe aus
einer Vielzahl von Produkten nicht mehr wegzudenken. Vor allem das geringe
Gewicht, die hohe Zähigkeit und die besondere Härte machen den Werkstoff
interessant für technisch hochanspruchsvolle Produkte. Im Flugzeugbau sind
Verbundwerkstoffe seit Mitte der 1970 Jahre fester Bestandteil des Produktes
und gewinnen seitdem mehr und mehr an Bedeutung. In dieser Arbeit soll zu
Beginn eine allgemeine Übersicht über Verbundwerkstoffe gegeben werden.
Dann soll tiefer auf faserverstärkte Verbundwerkstoffe eingegangen werden. Im
weiteren Verlauf wird der Fokus auf die Herstellung, die Eigenschaften und den
Einsatz selbiger gelegt. Anschließend soll dem Leser der Einsatz von Verbund-
werkstoffen im Flugzeugbau im allgemeinen und bei der Firma Airbus im beson-
deren nähergebracht werden.
1.1. Geschichte und Allgemeines zu Verbundwerkstoffen
Verbundwerkstoffe sind Werkstoffe, die aus zwei oder mehreren Einzelstoffen
bestehen und zu einem neuen Werkstoff verbunden werden. Durch diesen be-
sonderen inneren Aufbau aus mehreren Werkstoffen unterscheiden sich die Ve r-
bundwerkstoffe grundsätzlich von anderen Werkstoffen der Technik.
1
Bei der
Auswahl von Verbundwerkstoffen verfolgt man die Philosophie, dass sie ,,das
Beste aus beiden Welten" bieten sollen (d.h. attraktive Eigenschaften von jeder
Komponente). Ein klassisches Beispiel ist Fiberglas. Die Festigkeit der dünnen
Glasfasern wird mit der Duktilität der polymeren Matrix
2
kombiniert. Es entsteht
ein Produkt, das jeder einzelnen Komponente überlegen ist. Der Katalog der
Verbundwerkstoffe besteht aus einer fast unüberschaubaren Breite von Werk-
stoffen, angefangen bei ganz einfachen bis hin zu komplexen. Fiberglas, Holz
und Beton gehören zu den häufigsten Konstruktionswerkstoffen. Die Luftfahrtin-
dustrie hat die Entwicklung technisch ausgereifter Werkstoffsysteme stark vo ran-
getrieben. Zunehmend halten diese auch in zivilen Anwendungen, beispielsweise
für Brücken mit verbessertem Festigkeits-/Gewichtverhältnis oder in kraftstoffspa-
renden Motoren Einzug.
3
Nicht zu den Verbundwerkstoffen gehören die Legie-
rungen. Bei ihnen sind die Einzelstoffe gelöst oder äußerst fein verteilt. Bei Ve r-
bundwerkstoffen liegen die Einzelstoffe in größeren Teilchen vor.
1
Vgl. Ignatow itz, E. (1997) S.146.
2
Matrix: Laminierw erkstoff oder Bindung.
3
Vgl. Shackelford, J. (2005).
1
1.2. Innerer Aufbau der Verbundwerkstoffe
Es werden zueinander passende Einzelwerkstoffe miteinander kombiniert, so
dass sich die guten Eigenschaften der Einzelstoffe im neuen Stoff vereinen und
die nachteiligen Eigenschaften überdeckt werden. Bei den glasfaserverstärkten
Kunststoffen ist beispielsweise die hohe Zugfestigkeit der Glasfaser mit der Zä-
higkeit der Kunststoffe kombiniert. Die Sprödigkeit der Glasfaser und die geringe
Festigkeit der Kunststoffe werden überdeckt. Bei den Hartmetallen wird die Härte
der Hartstoffe (z.B. Wolframcarbid) und die Zähigkeit der Metalle (z.B. Kobalt) in
einem Verbundwerkstoff vereinigt. Die Sprödigkeit der Hartstoffe und die geringe
Härte des zähen Metalls treten im Verbund nicht in Erscheinung.
4
Die nächste
Abbildung stellt die drei Verbundwerkstoffarten dar.
A. Faserverstärkte Verbundwerkstoffe
GFK, CFK, Stahlbeton
B. Teilchenverstärkte und Durchdringungs-
Verbundwerkstoffe
5
Hartmetall (teilchenverstärkt)
schmierstoffgetränkte Sinterlager (Durchdrin-
gungsverbund)
C. Schicht- und Strukturverbunde
Plattierte Bleche (Schichtverbund)
Pkw-Stoßfänger (Strukturverbund)
Abbildung 1: Verbundwerkstoffarten
Aus: Dobler, Hans-Dieter. (2003) S. 313.
4
Vgl. Dobler, H. (2003) S. 313.
5
Diese Art der Verbundw erkstoffe soll in dieser Arbeit nicht w eiter behandelt w erden.
2
Durch eine geeignete Auswahl und Kombination von Einzelstoffen ist es möglich,
Verbundwerkstoffe mit Eigenschaften herzustellen, die genau auf eine techni-
sche Anforderung passen.
1.3. Faserverstärkte Verbundwerkstoffe
Bei ihnen soll die hohe Festigkeit von Fasern auf den Verbund übertragen wer-
den. Die Verstärkung erfolgt überwiegend in Faserrichtung. Deshalb werden --je
nach Anwendung- unterschiedliche Faseranordnungen ausgeführt. Bei flächigen
Bauteilen ist die Faserrichtung stets die Verstärkungsrichtung. Die Fasern wer-
den als Endlosfasern oder Faserabschnitte eingesetzt. Die folgende Grafik dient
dazu, das eben Beschriebene zu verdeutlichen.
6
Abbildung 2: Faseranordnung und Verstärkungsrichtung
Aus: Ignatow itz, E. (1997) S. 147.
1.3.1. Glas- und Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe
GFK besteht aus dünnen Glasfasern (10 bis 100 m dick) und einer Kunststoff-
bindung aus meist ungesättigten, duroplastischen Polyesterharzen (GF-UP) oder
Epoxidharz (GF-EP), aber auch aus Thermoplasten. Sie vereinen die hohe Zug-
festigkeit der Glasfasern (bis 1000 N/mm²) mit der Zähigkeit und Korrosionsb e-
ständigkeit der Kunststoffe in einem neuen Werkstoff, der zudem eine geringe
Dichte von 1,6 bis 2 kg/dm³ aufweist. Die einzelne Faser ist zur besseren Hand-
habung in Strängen (Rovings) mit mehreren tausend Einzelfasern zusammeng e-
fasst oder zu Matten, Gewebe und Vlies verarbeitet. Je nach Menge und Rich-
tung der eingelegten Fasern erhält man unterschiedlich verstärkte Kunst stoffver-
6
Vgl. Ignatow itz, E. (1997) S. 147.
3
bunde. Anstatt Glasfasern können auch teure Kohlenstofffasern eingesetzt wer-
den. Dann spricht man von besonders biegesteifen und extrem hochfesten CFK.
7
Außerdem gibt es noch BFK Bohrfaser-, SFK Synthesefaser-, MFK Metallfaser-
und MWK Metallwhiskerverstärkter Kunststoff.
8
1.3.2. Anwendung, Herstellung und Verarbeitung
A. Anwendung von CFK und GFK:
Hauptsächlich werden faserverstärkte Kunststoffe im Fahrzeug - und Flugzeug-
bau eingesetzt. Zum Beispiel für Strukturteile, Karosserieteile, Verkleidungen,
LKW-Blattfedern und Kardanwellen. Aber auch bei der Sportgeräteherstellung
und im Bauwesen sind sie nicht mehr wegzudenken. So werden Ski, Tenni s-
schläger, Bootkörper, Tanks und Dächer heute aus CFK oder GFK gefertigt.
Auch im Maschinen- und Anlagenbau finden diese Werkstoffe vielfache Verwen-
dung. Man fertigt daraus Zahnräder, Formteile, Rohrleitungen, Karosserieteile
und Behälter.
C. Herstellung von CFK und GFK:
Es gibt je nach Länge und Verlegeart der Fasern verschiedene Herstellungsve r-
fahren. ,,Mit Kurzfasern von rund 1 mm Länge verstärkte Formmassen aus Ther-
moplasten und Duroplasten werden durch Spritzgießen oder Formpressen meist
zu kleinformatigen Bauteilen, wie z.B. Zahnrädern, verarbeitet. Mittelgroße Ba u-
teile, wie z.B. Pkw- und Lkw-Karosserieteile werden durch Einlegen einer mit
Duroplastharz vorgetränkten Glasfasermatte (Vor-Laminat) in das Formwerkzeug
einer Presse und anschließendes Formpressen gefertigt.
9
Durch Handlaminieren
können große Bauteile, wie z.B. Bootskörper, hergestellt werden. Dabei werden
Glasfasermatten lagenweise aufgetragen und durch Aufspritzen mit Harz g e-
tränkt. Die nächste Abbildung stellt typische GFK Bauteile und deren Herstellung
dar.
B. Verarbeitung von CFK und GFK:
CFK und GFK können wie harte Kunststoffe mit allen spanenden Verfahren b e-
arbeitet werden. Es sollten wegen der Härte der Fasern jedoch Hartmetall -
Werkzeuge verwendet werden. Das Fügen kann durch Verschrauben oder Kl e-
ben erfolgen. Schäden an GFK-Bauteilen können durch Füllen der Schadstelle
mit Harz-/Fasergewebestücken geschlossen werden.
7
Vgl. Ignatow itz, E. (1997) S. 147.
8
Vgl. ebda. S. 270.
9
Vgl. Dobler, H. (2003) S. 314.
4
Abbildung 3: Bauteile aus GFK und ihre Herstellung
Aus: Ignatow itz, E. (1997) S. 147.
1.3.3. Schichtverbunde
Durch die Verbindung mehrerer Lagen verschiedener Werkstoffe können b e-
stimmte vorteilhafte Eigenschaften (mechanische, wärmetechnische und chemi-
sche) in einem Bauteil vereint werden. Zu den Schichtverbundwerkstoffen geh ö-
ren: Holz-Schichtverbunde, Kunstharz-Schichtverbunde, Kernverbunde und Bau-
Schichtverbunde (Gipskartonplatten, Wärmedämmbahnen, Bitumenbahnen Plat-
tierte Bleche und Bimetalle). Für den Einsatz im Flugzeugbau sind lediglich die
Kernverbunde (Sandwichbauteile) interessant. Sie bestehen aus zwei Decklagen,
z.B. Aluminiumblech, zwischen die eine versteifende Fülllage, z.B. aus Har t-
pappwaben, Hartschaumstoff oder Aluminiumwaben eingeklebt ist. Sie sind
formstabil, dabei extrem leicht und bei Pappe- oder Schaumstoff-Fülllagen wär-
5
me- und kühldämmend. Im Flugzeugbau wird dieser Verbund auch Honeycumb
genannt. Aus ihm werden unter anderem hochsteife Strukturteile gefertigt.
10
Abbildung 4: HexaPano® Aluminium-Honeycombpanel
Aus: URL_Theeuropeanvancompany
2. Verbundwerkstoffe in der Luftfahrt
Der nun folgende Abschnitt soll dem Leser die Geschichte der Verbundwerkstoffe
beim Flugzeugbauer Airbus näher bringen. Zum ersten Mal wurden Verbund-
werkstoffe beim englischen und amerikanischen Militär eingesetzt. In der von
Grumman gebauten F14 wurde in einer Serienproduktion 58 kg Verbundwerk-
stoff, davon etwa 29 kg Bor verbaut. Die Serie umfasste 469 Stück. Bei der F15
von McDonnell waren es dann schon ca. 91kg Bor -Epoxid (BFK). ,,North Rock-
well hatte den Auftrag für 7 Prototypen von B-1-Bombern erhalten, in denen je-
weils etwa 450 kg Verbundwerkstoff eingeplant waren."Das erste KFK-Teil in
einem amerikanischen Flugzeug war eine Flügelvorderkante bei der F 5 A von
Northrop. ,,Die ersten kommerziellen Anwendungen von modernem Verbun d-
werkstoffmaterial sind die Bodenträger der Boeing 707, die mit einem borfade n-
verstärkten Gurt versehen sind."
11
Nach der Bewährungsprobe in englischen
Jagdflugzeugen wurden auch die Bremsbeläge bei der ,,Concorde" aus KFK he r-
gestellt. Möglicherweise sind diese Beläge die ersten aus Verbundwerkstoff g e-
fertigten Bauteile bei der Firma Airbus.
10
Vgl. Ignatow itz, E. (1997) S. 151.
11
Vgl. Taprogge, R. (1975) S. 127 f.
6
2.1. Die Einführung der Verbundwerkstoffe bei Airbus
Die Einführung der Faserverbund-Technologie erfolgte bei der Firma Airbus Mitte
der 1970er Jahre. Damals dachte niemand ernsthaft an den Einsatz kohlefaser-
verstärkter Kunststoffe in Großbauteilen. Es begann mit der Umstellung der Lan-
deklappen in CFK-Bauweise beim WB
12
Flieger Airbus A310. Es folgte die Ein-
führung des kompletten Seitenleitwerks und der Finbox
13
ab 1985. ,,Es ging dabei
nicht um die Reduzierung des Gesamtgewichtes. Das Flugzeug war im hinteren
Teil ein wenig zu schwer", erinnert sich Hartmut Mehdorn, der seinerzeit für die
Produktion verantwortlich war. Die Lösung brachte ein Seitenleitwerk aus CFK,
durch das das Gewicht um über 250 Kilogramm verringert werden konnte. ,,Das
hat vorher noch niemand gewagt", sagt Mehdorn.
14
1988 folgten weitere Klappen
im SA
15
-Programm. Anschließend wurden die ersten durch RTM-Verfahren her-
gestellten Strukturteile und Thermoplast Komponenten in der Finbox im LR
16
Flugzeugprogramm eingeführt.
Abbildung 5: A320 Stand 1988-1998 mit 5% Verbundwerkstoffe
Aus: Rückert, C. (2000) S. 3.
Positive Erfahrungen mit diesen neuen Technologien waren , dass es keine Mate-
rialermüdung, keine Korrosion, keine Schäden durch Betriebsbeanspruchung
mehr gab, das Gewicht reduziert werden konnte und es dadurch zur positiven
12
Wide Body Program: Airbus A300-100/200/300/600, A310-200/300.
13
Finbox: Ruderkasten.
14
Vgl. Anhang 1: Verbundw erkstoffe: Kampf dem Übergew icht.
15
Single Aisle Program: Airbus A318-100, A219-100, A320-100/200, A321-100/200.
16
Long Range Program: Airbus A330-200/300, A340-200/300/500/600.
7
Resonanz der Kunden kam. Kritisch war jedoch der Fakt, dass es zu Wasserauf-
nahme im Flugbetrieb kam und dass der Einsatz in gefährdeten Zonen (Boden-
fahrzeuge) nicht gewünscht war. Denn eventuelle Beschädigungen durch Kollisi-
onen könnten zu unsichtbaren Schäden führen. Nach diesem sehr erfolgreichen
Start der neuen Werkstoffe trat in den 1990er Jahren eine Stagnation in der Ent-
wicklung ein. Im Jahre 1994 gab es sogar einen Rückschlag, da die inneren Lan-
deklappen wieder aus Metall gefertigt wurden.
17
Abbildung 6: Entwicklung der Faserverbundstrukturen bei Airbus
Aus: Rückert, C. (2001) S.4.
Gründe für diese Rückentwicklung waren, dass ausschließlich Prepreg und die
Autoklav-Technologie angewandt wurden. Es gab zu wenig Automatisierung und
die Teile mussten weiterhin in kostspieliger Handarbeit gefertigt werden. Die Vo r-
teile des höheren Integrationsgrades wurden anfangs überbewertet. Dieses führ-
te zu sehr viel höheren Herstellungskosten im Vergleich zur Metallbauweise. Au-
ßerdem verschlechterten Fehler bei Sandwichbauteilen den Ruf. Die neuen
Werkstoffe wiesen eine ungenügende Reparaturfreundlichkeit auf und die tei l-
weise konservative Dimensionierung führte dazu, dass spezifische Vorteile nicht
genutzt wurden. Auch sekundäre Attraktivitätsfaktoren (Korrosionsfreiheit, keine
Ermüdung, Brandverhalten) wurden bei der Einschätzung nicht ausreichend b e-
rücksichtigt. Daher stellte man sich die Frage ,,Leichtbau um jeden Preis?" und
kam zu dem vorläufigen Schluss: ,,Leichtbau konnte am Markt nicht erlösfähig
17
Vgl. Rückert, C. (2001) S. 4-7.
8
eingesetzt werden." Es mussten Lösungsansätze her . Als erstes brauchte man
eine ganzheitliche Bewertung aller Vor- und Nachteile wie Kunden- und Herstel-
lernutzen und Energiebilanzen für die Herstellung. Auch sollten und die sekund ä-
ren Vorteile bewertbar gemacht werden. Weiterhin mussten die Herstellerkosten
gesenkt werden. Man musste weg vom Nischenprodukt, um die Materialpreise zu
senken. Außerdem machte man sich auf die Suche nach neuen Herstellungsver-
fahren und Technologien. Auch bei unbestrittenen Vorteilen im Betrieb muss der
Leichtbau mit Faserverbundwerkstoffen erlösfähig wer den.
18
2.1.1. Die Verfahren und Technologien aus der Krise
A. Werkstoffentwicklung CFK Prepregs
Die geforderten Eigenschaften haben sich im Laufe der Entwicklung immer spe-
zieller herausarbeiten lassen.
19
B. Resin Infusion und MAG Verfahren
Hierbei werden flächige Halbzeuge mit Harz imprägniert, während der Harzfluss
senkrecht zur Faser verläuft.
20
Abbildung 7: Resin Infusion und MAG Verfahren
Aus: Rückert, C. (2000) S. 9.
C. Resin Transfer M olding RTM und Tailored Fibre Placement
Oder Harzinfusionsverfahren. Dabei wird das Harz mit Vakuumunterstützung
entlang der Faser-Lagen in das Faserhalbzeug gesogen. Durch die geschlosse-
ne Vorrichtung erhält man eine geringe Maßtoleranz und eine hohe innere Qual i-
18
Vgl. Rückert, C. (2000) S. 4-5.
19
Vgl. Rückert, C. (2001) S. 9.
20
Vgl. Rückert, C. (2000) S. 9.
9
tät. Dadurch ist das Verfahren sehr gut geeignet für komplexe und klein e Bautei-
le. Die Längskraftbeschläge des Seitenleitwerk des A340 konnten durch die Ei n-
führung dieses RTM-Verfahrens mit 40% Kosteneinsparung hergestellt werden.
Auch die Herstellung der Lagerung des Höhenleitwerkes des A340 -500/600 wur-
de auf dieses Verfahren umgestellt.
21
D. Umformen von Thermoplasten
,,Bleche" aus langfaserverstärkten Thermoplasten werden außerhalb der Presse
aufgeheizt, in der Presse auf einen positiven Kern (z.B. Holz) mittels Gummiko f-
fer im Oberwerkzeug umgeformt. Außerdem wurden neue Schweißverfahren für
Thermoplaste eingesetzt. Zum Beispiel wurde die Rudernase des A330 -200 seit-
her mit Induktionsschweißen gefügt.
22
E. Tow Placement
Dies ist eine Kombination aus Tapelegen und Wickeln. Dabei werden bis zu 32
Garne(Tows) parallel auch auf nicht geodätischen Pfaden gelegt. Der benötigte
Vorschub wird individuell geregelt und die Garne einzeln abgelängt. Durch diese
an das Bauteil angepasste Methode entsteht nur ein minimaler Verschnitt an den
Rändern und den Ausschnitten.
23
Abbildung 8: Wickelmaschine für Tow Placement-Verfahren
Aus: Rückert, C. (2000) S. 13.
21
Vgl. Rückert, C. (2000) S. 11.
22
Vgl. ebda. S. 12.
23
Vgl. ebda. S. 13.
10
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Erstausgabe
- Erscheinungsjahr
- 2010
- ISBN (PDF)
- 9783958208254
- ISBN (Paperback)
- 9783958203259
- Dateigröße
- 3.8 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- bbw Hochschule
- Erscheinungsdatum
- 2015 (Februar)
- Note
- 1
- Schlagworte
- Werkstofftechnik Verbundwerkstoff Faserverstärkte Verbundwerkstoffe Kohlefaser Glasfaser
- Produktsicherheit
- BACHELOR + MASTER Publishing
