LuFo VI-3 NATUR | Nachhaltige Flugzeugstrukturen mit Duromermaterialien für eine umweltfreundliche Luftfahrt

Nachhaltige Leichtbaustrukturen mit Duromermaterialien für eine umweltfreundliche Luftfahrt

Die kommerzielle Verkehrsluftfahrt steht vor einer großen technologischen Herausforderung, denn der Übergang zu nachhaltigem, klimaneutralem Fliegen, soll den Beitrag zur Klimaerwärmung minimieren. Neue Antriebstechnologien wie Brennstoffzellen und hybridelektrische Antriebe erfordern oft neue Flugzeugarchitekturen und führen zu einem Gewichtszuwachs. Um dabei maximale Energieeffizienz und Nachhaltigkeit während des Flugbetriebs zu gewährleisten, sind verbesserter Leichtbau und umweltverträgliche Antriebssysteme unerlässlich. Zudem können in der Entwicklungs- und Produktionsphase durch den Einsatz nachhaltigerer Materialien, Recycling und energieeffizienterer Verfahren signifikante Nachhaltigkeitspotenziale gehoben werden.

 

Im Rahmen von NATUR werden Leichtbauweisen und Technologien für CFK-Rumpfstrukturen adressiert, die durch die konsequente Nutzung von Materialresten, recycelten Carbonfasern (rCF) und Out-of-Autoclave (OoA)-Prepregs, sowie zugehöriger energiereduzierter Produktionsverfahren und –systeme zur Senkung des Global Warming Potentials (GWPs) entlang der Gesamtprozesskette beitragen. Die Optimierung des Bauteil-Designs und der Produktionsplanung für einen nachhaltigen Materialkreislauf, sowie eine energie- und emissionsoptimierte Produktionssteuerung stehen daher im Fokus. Durch die Gewichtseinsparung wird weiterhin ein signifikanter Beitrag zur Senkung der Umweltwirkungen in der Flugzeug-Nutzungsphase geleistet.

 

Folgende Entwicklungen werden im Projekt NATUR adressiert:

• Innovative Rumpfarchitektur mit Verwendung neuartiger duromer-basierter CFK-Materialien (z.B. rCF, CFK-Materialreste, OoA-/Snap-Cure-Prepregsysteme)

• Entwicklung ressourceneffizienter Lege-/Aushärtevorrichtungen für große Schalenstrukturen (Reduktion Werkzeugmassen um bis zu 30%, integrierte Heizungssysteme, Sensorik)

• Entwicklung energieoptimierter, abfallfreier und hochratenfähiger Fertigungs- und Montagetechnologien unter Berücksichtigung höchster Leichtbauanforderungen

• Nietarmes Fügen von Stringern und Fensterrahmen durch innovative Produktions- und Integrationstechnologien (Schweißen durch Funktionalisierung duromerer CFK-Strukturen, Co- und Semi- Curing, etc.)

• Ermittlung relevanter material- und energiespezifischer Kennzahlen sowie Integration dieser in die Produktionsplanung zur Schließung der Stoffkreisläufe und Optimierung des Energieeinsatzes auf Basis von erneuerbaren Energiequellen

• Quantifizierung der Haupttreiber in der Produktion hinsichtlich der Umweltwirkungen (Fokus: Ressourcenverbrauch und Treibhauspotential) sowie Ermittlung der Einsparungen durch die adressierten Entwicklungsarbeiten in NATUR

 

Wissenschaftliche und technische Ziele im Vorhaben NATUR

Das Fraunhofer IGCV erforscht im NATUR-Vorhaben die folgenden drei Themenbereiche:

 

  • Recycling von Composites und Entwicklung von rCF-Halbzeugen
  • Materialeffiziente Legetechnologien – Automated Fiber-/Patch-Placement sowie energieeffiziente Umformtechnologien
  • Ganzheitliche Produktionsplanung und Ökobilanzierung

 

Recycling von Composites und Entwicklung von rCF-Halbzeugen

Die wissenschaftlichen und technischen Ziele des Projektes NATUR beinhalten die Weiterentwicklung von Recyclinglösungen und die Aufbereitung von recycelten Carbonfasern (rCF) zu hochwertigen Halbzeugen. Durch die gezielte Hybridisierung von endlosfaserverstärkten Faserverbundkunststoffen (FVK) mit rCF-Halbzeugen sollen das Leichtbaupotenzial optimiert und die Wertschöpfung erhöht werden.

Hierfür wird eine Weiterentwicklung der pyrolytischen Faser-Matrix-Separationsmethode mit Hinblick auf Faserqualität angestrebt. Die zurückgewonnenen Carbonfasern sollen am Fraunhofer IGCV zu qualitativ hochwertigen Nassvliesstoffen mit hoher Anisotropie verarbeitet werden, die maßgeschneiderte Eigenschaften für die Weiterverarbeitung mittels duromerer Prozesstechnologien aufweisen und ein hohes Homogenitätsniveau für die Anforderungen der Luftfahrtindustrie sichern.

Materialeffiziente Legetechnologien – Automated Fiber-/Patch-Placement sowie energieeffiziente Umformtechnologien

Im Rahmen des Projekts untersucht das Fraunhofer IGCV Verwertungsmöglichkeiten von Spulenresten aus der Produktion großer Primärstrukturen für kleinere Bauteile mittels Fiber-/Patch-Placement-Technologien. Dazu gehört die Untersuchung der Verarbeitbarkeit von Slit-Tape Spulenresten, Herstellung von Coupons verschiedener Patch-Architekturen und der Benchmark deren mechanischer Performance sowie Ableitung von Design Guidelines. Darüber hinaus wird eine kontinuierliche Weiterentwicklung der robotergestützten Fiber Placement Technologie zur hochratenfähigen Herstellung von 2D-Preforms mit ressourcenschonenden Prepregwerkstoffen, deren Umformung zur finalen Bauteilgeometrie zu Omega-Stringern sowie die Anpassung der AFP-Technologie auf neuartige Bauteildesignkonzepte vorangetrieben.

Ganzheitliche Produktionsplanung und Ökobilanzierung

Das Fraunhofer IGCV arbeitet eng mit den Projektpartnern bei der Ermittlung relevanter material- und energiespezifischer Kennzahlen zusammen. Ein Konzept für eine ressourceneffiziente Produktionsplanung unter Berücksichtigung von Material- und Energieflüssen sowie Restriktionen, inklusive simulativer Abbildung des Produktionsablaufs und Bewertung hinsichtlich Umsetzbarkeit und Effizienzpotentiale wird im Rahmen des Projektes entwickelt. Basierend auf diesem Konzept wird ein Modell zur Integration und Bewertung unterschiedlicher Produktionsszenarien aufgebaut, die Umweltwirkungen und Reduktionspotentiale werden identifiziert, und Handlungsempfehlungen für eine nachhaltige Produktionsplanung und Composite-Herstellungsprozesskette werden daraus abgeleitet.

Weitere Infos

 

Weitere Projekte

Hier finden Sie eine Übersicht an weiteren Referenzprojekten des Fraunhofer IGCV.

 

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Branchenlösungen

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  • Maschinen- und Anlagenbau
  • Luft- und Raumfahrt
  • Automotive und Nutzfahrzeuge