Verbundwerkstoffe im Aufschwung!
Gewichtseinsparungen sind aktuell eine große Herausforderung in der Luftfahrtbranche. Verbesserte Performance, ein niedrigerer Treibstoffverbrauch und geringere Emissionen schaffen entscheidende Vorteile in einem stark umkämpften Markt. Der Einsatz von Verbundwerkstoffen bietet neue Möglichkeiten in all diesen Bereichen.
Nach einem mehrjährigen Abschwung in Folge von 9/11 und der weltweiten Rezession gab es in der Luftfahrtindustrie in den letzten 3–4 Jahren wieder starkes Wachstum zu verzeichnen. Steigende Energiepreise, eine triste wirtschaftliche Lage und der zunehmende Wettbewerb sind jedoch Faktoren, die das Gewinnpotenzial der globalen Fluggesellschaften aktuell beeinträchtigen.
Gewichtseinsparungen sind eine Möglichkeit für Flugzeughersteller, diese Probleme anzugehen, da sich dadurch sowohl der Treibstoffverbrauch als auch die Umweltauswirkungen reduzieren lassen. Dies führte dazu, dass der Einsatz von Verbundwerkstoffen in der neuesten Generation von kommerziellen Flugzeugen um 50 Prozent gestiegen ist.
Verbundwerkstoffe sind im Grunde eine Kombination aus mindestens zwei ungleichen Werkstoffen, die zusammen eingesetzt werden, um in Kombination die besten Eigenschaften zu nutzen oder neue Eigenschaften zu erzielen, die bei keinem der Einzelwerkstoffe gegeben sind. Mit der Verbundwerkstoff-Technologie lässt sich eine ganze Reihe von Problemen lösen, beispielsweise Gewichtsreduzierung von Metallteilen, Vermeidung von Korrosion sowie niedrigere Geräusch- und Vibrationspegel.
„Verbundwerkstoffe sind für die Luftfahrtindustrie sehr wichtig, da sie im Vergleich zu Metallkomponenten die gleiche oder sogar eine höhere Konstruktionsfestigkeit bieten und nicht so häufig ausgetauscht werden müssen“, so Scott Causey, Aerospace Specialist bei Seco. „Die leichteren Komponenten sorgen für eine bessere Treibstoffeffizienz sowie niedrigere Reparaturkosten und bieten mindestens die gleiche Komponentenfestigkeit bei reduziertem Gewicht.“
In der Regel werden in Flugzeug-Bauteilen Verbundwerkstoffe aus Kohlefaser, Glasfaser und Kevlar (Aramid) sowie Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe eingesetzt. Letztere werden meist für Brems-, Verbrennungs- und Abgaskomponenten genutzt.
„Durch Verbundwerkstoffe kann das Komponenten-Gesamtgewicht um 20 bis 50 Prozent gesenkt werden, was den Treibstoffverbrauch reduziert“, kommentiert Causey. „Außerdem werden bei der Montage von Verbundwerkstoffen nur sehr wenige Verbindungselemente, Bolzen usw. benötigt. In manchen Fällen können mehrere Metallbauteile in einem Verbundwerk- stoff-Bauteil konsolidiert werden.“
Gleichzeitig ergibt sich durch den Einsatz von Verbundwerkstoffen eine Reihe von Problemen für Flugzeughersteller.
„Genau wie bei der Metallbearbeitung haben auch Verbundwerkstoffe ihre eigenen Fertigungsanforderungen, die im Hinblick auf die Konformität der Teile eingehalten werden müssen“, so Causey.
„Diese Anforderungen sowie die fortschrittlichen Automatisierungsprozesse zur Kostenreduzierung sind ständigen Änderungen unterworfen. Daher werden Verbundwerkstoffe in den meisten Fällen nur von speziellen Herstellern angeboten, die in die moderne Technologie für diese Werkstoffe investieren und die ständig steigenden Konstruktionszahlen im Luftfahrtbereich erfüllen können.“
Das Angebot von Seco umfasst in erster Linie diamantbeschichtete Hartmetall-Schaftfräser. Die Merkmale dieser Werkzeuge ermöglichen eine erstklassige Oberflächenqualität bei gleichzeitig hoher Geschwindigkeit und hohem Vorschub.
Darüber hinaus bietet Seco gelötete PKD-Schneidkanten (Poly-Kristalliner Dia-mant) und somit optimierte Werkzeuge für schwierige Zerspanungsbedingungen bei problematischen Werkstoffen.
Häufige Probleme beim Bohren von Verbundwerkstoffen sind Delamination, Splittern und schlechte Oberflächengüte. Durch Einsatz optimierter Geometrien wird die Bohrungsqualität erhöht und aufrechterhalten, während mit der Diamantbeschichtung oder mit PKD hohe Schnittdaten und eine längere Werkzeugstandzeit erreicht werden.
Seco hat gerade zwei neue Werkzeuge für mehrschichtige Hybrid-Composite-Werkstoffe eingeführt: JC898 und JC899. Der Schruppfräser – JC898 – erlaubt einen hohen Vorschub und ist mit internen Kühlmittelkanälen ausgestattet, um Späne über Druckluft abzuführen.
Der Schlichtfräser – JC899 – weist eine patentierte „zwei-in-eins“-Geometrie auf und bedient so die Eigenschaften von zwei Werkstoffen.
Es ist klar, dass die Luftfahrtbranche auch in Zukunft leichtere und effizientere Flugzeuge fordern wird. Letztendlich werden möglicherweise ganze Flugzeuge aus Verbundwerkstoffen statt aus Metall gebaut, aber vorerst werden beide Materialien eingesetzt.
„Ich glaube, dass wir auf kurze Sicht die Entwicklung von Prozessen und Anwendungen für den Einsatz von recycelten Materialien erleben werden sowie Anstrengungen zur Optimierung der Fertigungskosten für derzeit genutzte Werkstoffe, da Verbundwerkstoffe in der Herstellung nach wie vor teuer sind“, sagt Causey abschließend
