Fügen von Leichtmetallen mit Faserverbundwerkstoffen für hybride Leichtbauanwendungen im Luftfahrtbereich durch Hochleistungsultraschall

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Balle
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263047333

Die stetige Optimierung des Strukturgewichtes von Flugzeugen durch den Einsatz von CFK und effizienten Leichtbaustrukturen hat mit dem Airbus A350 einen neuen Höhepunkt erreicht. Die Substitution des metallischen Rumpfes durch eine geeignete CFK-Struktur hat den Anteil der faserverstärkten Polymere im gesamten Flugzeug auf über 50% getrieben, der strukturelle Leichtbau durch Materialsubstitution scheint jedoch ausgereizt. Die Fertigungsprozesse für die CFK-Bauteile mit hoher Geometrievarianz sind noch größtenteils mit Handarbeit verbunden und dadurch kostenintensiv. Aktuelle und zukünftige Ansätze setzen daher vermehrt auf Hybridstrukturen, um den richtigen Werkstoff gezielt lokal im Flugzeug zu nutzen. So ist es möglich über die gesamte Struktur gesehen an jeder Stelle ein Optimum an Leichtbaueffizienz zu erzielen. Dabei steht die Verbindungstechnologie von Bauteilen artfremder Werkstoffe mit im Vordergrund. Eine Hybridverbindung muss auf der einen Seite die volle Funktion erfüllen, auf der anderen Seite aber dafür sorgen, dass keines der zu verbindenden Bauteile eine Überdimensionierung erfährt. Das heißt, dass nicht unbedingt die Bauteile selbst sondern die Verbindung entscheidend für das erreichbare Gewicht der Struktur ist.Ziele des Forschungsprojektes sind daher zunächst der Nachweis eines stabilen Fügeprozesses für ausgewählte Luftfahrtwerkstoffe. Als vielversprechendes Fügeverfahren wurde das Metall-Ultraschallschweißen und hier speziell die Variante des Ultraschalltorsionsschweißens ausgewählt. Die hybriden Verbunde werden durch statistische Versuchsmethoden sowie online-Messung der zentralen Prozesseinflussgrößen realisiert. Im Hinblick auf spezifische Anforderungen der Luftfahrt werden die mechanischen Eigenschaften von Leichtmetall/CFK-Verbunden charakterisiert und durch prozessbeeinflussende Maßnahmen wie Oberflächenvorbehandlungen und kombinierte Wärmebehandlungen hinsichtlich der mechanischen Leistungsfähigkeit verändert. Zur Gewährleistung alterungsbeständiger Hybridverbunde werden 3-Schicht-Verbunde (Al/Ti-Folie/CFK, Al/GF-Lage/CFK) entwickelt und detailliert hinsichtlich mikrostruktureller, mechanischer und Langzeiteigenschaften untersucht. Ein zentrales Ziel ist die Konzipierung und Herstellung eines hybriden Demonstratorbauteiles zum Nachweis der Anwendbarkeit der Technologie auf Komponentenebene, verbunden mit der Erreichung eines definierten Luftfahrt-Technologiereifegrades (TRL-Status) zur Vergleichbarkeit der Technologie im Luftfahrtumfeld. Ferner wird ein Konzept zur industriellen Umsetzung des Ultraschallfügeprozesses am Beispiel einer konkreten Flugzeugstruktur in Anlehnung an die Demonstratorgeometrie erarbeitet. Die Identifizierung von Entwicklungspotentialen im Bereich des Ultraschallschweißprozesses sowie Modifikationen der Ausgangswerkstoffe schließen das Forschungsprojekt ab.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Beteiligte Institution: CTC GmbH Stade