Kostproben aus der Werkstoffküche
Die Experimentierfreude der Materialforscher ist ungebrochen: Neue Materialien und Werkstoffkombinationen könnten der Luftfahrtindustrie weltweit neue Impulse geben. aerotec blickte in die Werkstoffküche.
Die vielschichtigste Materialklasse bilden die Komposite und die Kohlefaserverstärkten Kunststoffe (CFK). Bei CFK gibt es im Wesentlichen ein großes Problem: die geringe Prozessautomatisierung treibt derzeit die Kosten noch in die Höhe. Bei CFK ist deshalb momentan weniger das Material Gegenstand der Optimierung sondern sein Herstellungs- und Verarbeitungsprozess.
Wichtig sind ebenfalls die faserverstärkten Keramiken für Triebwerkskomponenten. Sie bringen Gewichtsvorteile und helfen Kühlluft zu sparen, “brauchen aber ein werkstoffgerechtes Design”, bemerkt Dr. Jörg Esslinger, Leiter werkstofftechnik bei MTU Aero Engines.
Metallmatrixverbünde sind eine weitere Option. “Das Thema ist in der Entwicklung”, so Esslinger. Eine Anwendung wäre in rotierenden Bauteilen aus diesem Material mit lastkonform gelegten keramischen Fasern. “Aber auch über Partikel, etwa aus Oxiden, Boriden, Carbide verstärkte Metalle sind beispielsweise für Triebwerksschaufeln viel versprechend”, fügt sein Kollege Dr. Wilfried Smarsly bei. Man könnte dünner bauen und das würde Gewicht sparen. Bei diesen Verbünden handelt es sich meist um Aluminium oder Titan mit einer Verstärkung aus keramischen Partikeln und Fasern. So verwendet Eurocopter bei einigen Komponenten eine Aluminiummatrix mit eingelagerten Siliziumkarbidpartikeln.
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von CNTs (carbon nanotubes). Das BMBF fördert hier die Innovationsallianz Carbon Nanotubes (Inn.CNT). Im Teilprojekt CarboAir entwickeln unter der Koordination von Siemens Unternehmen wie EADS Innovation Works, SGL Carbon Bayer Technology Services, BASF und weitere Partner neue Lösungen. CNT in CFK könnte die Leitfähigkeit bringen, die für den Blitzschutz nötig ist, dazu kommen verbesserte Scherfestigkeit und Steifigkeit, was für 10 Prozent Gewichtsersparnis gut sein könnte. Auch wäre etwa bei Magnesium durch Zugabe von CNTs die Korrosionsfähigkeit zu verbessern. Und auch die Metallmatrixverbünde könnten von einer CNT-Zugabe profitieren.
Aber nicht nur mit der teuren Entwicklung neuer Legierungen schafft man Verbesserungen, es geht mitunter auch einfacher. Alloy Memory Structure Process (AMS) heißt ein neues, patentiertes Verfahren zur Materialverbesserung. “Jede Schmelze einer Legierung ist mikroheterogen”, so Dr. Evgenij Sterling, Entwicklungsleiter bei Berger Consult. Der Grund sind Cluster aus Legierungselementen in der Schmelze. Diesen rückte man mit sich drehenden, elektromagnetischen Feldern erfolgreich zu Leibe. “Das Ergebnis ist ein Gussteil mit feinkörnigerem Gefüge, weniger Lunkern, einer höheren Zugfestigkeit, das Gießen kann bei niedrigeren Temperaturen erfolgen und es geht schneller. Je nach Bauteil spart man 10 bis 20 Prozent Kosten”, berichtet Evgenij Sterling. Und auch der wieder aufgeschmolzene Abfall behält diese Eigenschaften. Der Prozess ist geeignet für alle elektrisch leitenden Legierungen.
Forscher von Airbus und FoldCore haben unter dem Verbundprojekten LuFo III und IV einen neuen Strukturwerkstoff erarbeitet der 40 Prozent Kosten und 30 Prozent Gewicht sparen soll. Und das Zaubermaterial ist gefaltetes, mit Kunstharz imprägniertes Aramidpapier, entwickelt von DuPont. 2004 lieferte FoldCore erstmals speziell gekrümmte Faltwaben aus diesem Material für eine Prüfschale an Airbus aus.
Wabenstrukturen gibt es schon länger, aber die Anisotropie der sechseckigen Waben ist weitgehend fixiert und gewölbte Flächen sind nur sehr umständlich herstellbar. “Mit gefalteten Strukturen kann man die Isotropie gut einstellen und fast beliebig gekrümmte Oberflächen herstellen”, berichtet Yves Klett von FoldCore. Die Faltkerne werden zusammen mit geeigneten Deckschichten zum Sandwich gefügt. Da sich mit dem Verfahren automatisiert Endlosbahnen aus Faltstrukturen herstellen lassen eignet es sich zur Massenproduktion. Außerdem haben gefaltete Strukturen gegenüber klassischen Waben den Vorteil offener Kanäle. Damit kann das Wasser, das sonst kaum zu entfernen ist und sich über ein Flugzeugleben auf einige Tonnen ansammelt, austreten, was der Airline Wartungskosten spart und über mehr freie Last Gewinn bringt.
- Dr. Barbara Stumpp -
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