3D Drucken jetzt zugelassenes Herstellungsverfahren

[Volume]

Soll noch einer sagen, die Rechtslage hängt dem technischen Fortschritt Jahrzehnte hinterher...

3-D Printed Part Approved for BAe 146

Noch 5 Jahre und wir haben zugelassene Drucker in jeder Werkstatt, und die Hersteller schicken uns die Ersatzteile per e-mail.

 

Making new tooling would have cost almost $23,000

...

“Within two weeks our Warton colleagues had produced examples of the part that we used for certification. Then they introduced us to a commercial 3-D printing supplier that was able to produce the required quantity for us,”

Ob ein Betriebswirtschaftler das mal nachgerechnet hat... Mit mehreren Fachleuten zwei Wochen bringt einen auch recht zügig auf €15.000.

 

Gruß

Ralf

[Gast theturbofantastic]

Weiter heißt es:

[Making new tooling would have cost almost $23,000] and taken several months, followed by two more months to produce the parts, according to BAE.

Also nehme ich schon an, dass die richtig gerechnet haben ;) 23,000 Dollar sind ja nur die Kosten fürs Tooling.

Ein geniales Labor, welches die dort in Warton haben (ich hatte schon mehrmals die Ehre, ein fantastischer Spielplatz für Ingenieure).

 

Grüße

Jonas

[PeterH]

Hätte ich nicht so schnell erwartet (die Zulassung). Wobei so langsam nicht nur die Kunststoff-Druckerei, sondern auch ein Metall"druck"verfahren in den "Billigbereich" rückt. Es wird dazu eine Metallpaste (Metallpulver-Kunststoff-Dispersion) benutzt, die danach bei hoher Temperatur gesintert werden muß (Schrumpfung um rund 30 Prozent). Im hohen Professional-Bereich soll es aber auch schon Vollmetall-Drucker geben, furchtbar teuer.

 

Der Fortschritt ist nicht aufzuhalten... :cool:

 

Gruß

Peter

[fm70]

Den wichtigsten Teil der Meldung hat Du nicht zitiert:

The part is a plastic breather pipe that prevents fogging of cabin windows. The pipes were originally made by injection molding in plastic

Mit anderen Worten: Ein unkritisches Plastikteil mit null Anforderungen an Festigkeit und Formgenauigkeit.

[Gast theturbofantastic]

Mit anderen Worten: Ein unkritisches Plastikteil mit null Anforderungen an Festigkeit und Formgenauigkeit.

Darum geht es primär ja überhaupt nicht. Der wesentliche Vorteil sind die Einsparungen durch weniger Abfall, günstigeres Tooling (eine einzige Maschine kann tausende verschiedene Teile in ungefähr der selben Größenordnung herstellen), geringerer Energiebedarf gegenüber traditioneller Fertigung, etc.

 

Das alles soll dazu führen, dass irgendwann einmal eben gerade solche Teile, wo alle immer schreien: "Wie bitte!? €150,- für so ein kleines Teil! Dabei kostet das doch eigentlich nur 20, der Rest ist für den Stempel auf dem Form 1!" (Achtung, Ironie), dass eben solche Teile günstiger und besser verfügbar werden. Also bitte nicht jammern.

 

Peter, soweit ich weiß, ist der Standard für Metall das so genannte Selective Laser Melting.

 

Grüße

Jonas

[Volume]

Ein unkritisches Plastikteil mit null Anforderungen an Festigkeit und Formgenauigkeit.

Trotzdem ein erster Schritt. Ich bin ziemlich sicher, bald mehr davon zu sehen. Wir haben in der Luftfahrt viele komplexe Kleinteile ohne große Anforderungen, deren Herstellung dank Kleinserie aber ein Vermögen kostet.

 

Gruß

Ralf

[Wolkenschieber]

... kleines unkritisches Plastikteil ?

 

http://www.handelsblatt.com/technologie/forschung-medizin/forschung-innovation/raumfahrt-nasa-testet-triebwerksteil-aus-3d-drucker/8702920.html

 

 

...... und das Genehmigungsverfahren ist eingeleitet, finde nur die aktuelle Meldung nicht mehr.

Aber hier die ursprüngliche:

 

http://www.ft.com/cms/s/0/95a7b560-4c80-11e3-923d-00144feabdc0.html#axzz2sel3AJDg

[Volume]

Wie gesagt, das billige Plastikteil war nur ein erster Schritt.

Jetzt fängt Airbus an, Bauteile aus Titan in 3D-Druckern herzustellen. Bei dem Bauteil handelt es sich um ein Strukturteil der Inneneinrichtung. In diesem Bereich hat sich ja ehrlich gesagt seit 50 Jahren praktisch nichts getan, das Potential für Gewichtsersparnis ist entsprechend groß.

Das wird interessant für die Konstrukteure, denn ein "optimales" Bauteil sieht plötzlich ganz anders aus, als noch vor 50 Jahren, als man sie aus Standardhalbzeugen geschweißt oder genietet hat, als vor 30 Jahren, als man sie meist simpel mit Kopierfräsen in einer Aufspannung plan aus Plattenmaterial gefräst hat, und auch deutlich anders als die heute übliche Herstellung mit Mehrachs-Fräsmaschinen aus einem Block. Vermutlich kann man die geringere Festigkeit des Sintermaterials gut verschmerzen, da man keinerlei produktionsbedingtes Zusatzmaterial mehr mit sich rumschleppen muss, und nur noch da Material einsetzt, wo auch wirklich Kräfte sind oder Funktionsflächen gebraucht werden. Ausserdem kann man innere Hohlräume herstellen, was ansonsten nur bei Gussteilen möglich ist.

Da kann schon eine echte Revolution anstehen, mal sehen wie kreativ die nächste Generation Konstrukteure damit umgehen wird, oder ob sie es wie beim CFK nur halb umsetzen (Stichwort "schwarzes Aluminium", also die selben Bauweisen wie bisher nur mit Faserverbundbauteilen anstatt Materialgerecht zu konstruieren)

 

Gruß

Ralf

[Oli88]

Auf das AI Teil bezogen, es hat seine Gründe warum das Tiel so massiv ist, die ganzen Tests... Da aber anscheinend jetzt mit weniger Material die gleiche Festigkeit erzielt werden kann und die selben G-Kräfte ausgehalten werden, ned schlecht. Bin gespannt

[Volume]

die ganzen Tests...

Wir reden hier von einer Abstützung einer Bordküche, Toilette oder Garderobe. Angeschlossen ist eine beiderseits gelenkige Stange, die Kraftrichtung ist also völlig Fix. Mehr als einen einzigen statischen Test dürfte dieses Bauteil (bzw. sein konventioneller Vorgänger) nicht gesehen haben. Wenn überhaupt. Auch wenn es nach jedem Unfall viel Diskussionen gibt, die Befestigung der Kabineneinrichtung zählt nicht zur Primärstruktur. Dein Handgepäck darf dich mitsamt Bin weit früher erschlagen, als dein Sitz oder Sicherheitsgurt versagt.

Wenn sie dieses Bauteil intensiv getestet haben, dann nur um das Verfahren für künftige Anwendungen zu qualifizieren.

 

Gruß

Ralf

[Oli88]

Auch die Upper Attachments werden getestet, die müssen die vorgeschriebenen Kräfte aushalten...

Und diese Kräfte sind nicht einfach 90° grad und fertig.

Es ist nicht so Gesund wenn das Galley anzufliegen kommt...

[Volume]

Und diese Kräfte sind nicht einfach 90° grad und fertig.

Die Kräfte in einer beiderseits gelenkig gelagerten Stange sind von ihrer Richtung her absolut fix und fertig. Ob es nun 90° sind oder 180° ist wohl Definitionssache... Die Höhe der Kraft ist fix vorgeschrieben (also die g´s, die Masse der Galley muss man halt noch ermitteln).

 

Gruß

Ralf

[Brufi]

....soweit ich weiß, ist der Standard für Metall das so genannte Selective Laser Melting.

So isses!

Dabei wird ein Bauteil aus Metallpulver hergestellt, indem unter Schutzgas Schicht für Schicht Pulver aufgetragen wird, ca 0.1 mm dick, und mit dem Laser dort aufgeschmolzen wird, wo das Bauteil aus Metall bestehen soll.

SLM funktioniert auch für gewisse Superlegierungen, wenden wir an, die Konkurrenz auch! (grosse Kraftwerks-Gasturbinen, Heissgaspfad).

Allerdings hat es - wie alle andern Wundermittel - zwei drei ganz wichtige Nebenwirkungen:

1.) Es ist nur geeignet wenn man ein paar wenige Teile braucht oder Einzelstücke (Prototypen), also Kleinstserien. Für Produktionsmengen ist es viiiiel zu teuer und auch zu langsam.

2.) Die Konstruktion (Geometrie des Bauteils) muss ans Produktionsverfahren angepasst werden. Es lassen sich zwar Überhänge herstellen die man als Guss höchstens noch mit komplizierten, aufwändigen Kernen hinkriegen würde. Aber der Winkel des Überhangs ist begrenzt auf so etwa 40-60°.

3.) Die Oberflächengüte ist unter Umständen sehr rauh, wie 80-er Sandpapier. Im Vergleich zu Feinguss ist das für gewisse Dinge völlig unbrauchbar und es braucht deshalb - je nach Anwendung - entsprechende Nachbearbeitung.

 

Gruss

Philipp

[Hunter58]

Die Masse der Galley muss man nicht ermitteln, die ist in der Zulassung des Fliegers maximal gegeben. Da steht dann für die Galley Position wie schwer das Galley beladen denn sein darf. Und für dieses Maximum ist das Teil gebaut und zertifiziert.

[Lausig]

Da kann schon eine echte Revolution anstehen, mal sehen wie kreativ die nächste Generation Konstrukteure damit umgehen wird, oder ob sie es wie beim CFK nur halb umsetzen (Stichwort "schwarzes Aluminium", also die selben Bauweisen wie bisher nur mit Faserverbundbauteilen anstatt Materialgerecht zu konstruieren)

 

Was meinst du damit, dass mit CFK nicht materialgerecht konstruiert wird?

Wie muss man mit CFK so viel anders konstruieren wie mit Aluminium?

[Oli88]

Richi heisst das jetzt das man die Galleys nicht testet?

[Thomas H.]

A propos Kleinserien und Ersatzteile. Must schmunzeln als ich in der neuste Ausgabe des "Electirc Moth Circuit" (Newsletter des DH Moth Club) las:

Tiger Moth and Hornet/Leopard Moth tyres

Dunlop have confirmed that the next batch of Tiger Moth tyres will be available from the middle of September, if not before. At the same time, although they have agreed to make a batch of tyres for Hornet and Leopard Moth application, they cannot quote a delivery date as Technical Services need first to build a prototype tyre to ensure they can still remember how! Meanwhile, men have been to the moon and back again.

Falls man das File für den Druck von Reifen noch finden würde, könnte man einfach ein paar reproduzieren - lokal...

Thomas

[Hunter58]

Richi heisst das jetzt das man die Galleys nicht testet?

 

Solange die innerhalb der gegebenen Gewichte und bereits zertifiziert sind, nein, warum?

[Brufi]

Falls man das File für den Druck von Reifen noch finden würde, könnte man einfach ein paar reproduzieren - lokal...

Nicht wirklich! Reifen bestehen nicht nur einfach aus Gummi und sonst nix! Da hat es noch so ein paar andere Dinge drinn, so Gewebe und so. Alles in einer ganz bestimmten Art und Weise in mehreren Lagen arrangiert, sonst erträgt das Ding grad gar nix.

Gruess

Philipp

[Oli88]

Solange die innerhalb der gegebenen Gewichte und bereits zertifiziert sind, nein, warum?

 

 

Dann muss ich wohl mal bei unserer Zulassung nachfragen warum wir die Galleys immer Testen...:009:

Scheint als machen wir seit Jahren unnötige Tests...

[Thomas H.]

Nicht wirklich! Reifen bestehen nicht nur einfach aus Gummi und sonst nix! Da hat es noch so ein paar andere Dinge drinn, so Gewebe und so. Alles in einer ganz bestimmten Art und Weise in mehreren Lagen arrangiert, sonst erträgt das Ding grad gar nix.

Gruess

Philipp

Ich habe wohl ein smily vergessen ...:005:

Thomas

[Hunter58]

Dann muss ich wohl mal bei unserer Zulassung nachfragen warum wir die Galleys immer Testen...:009:

Scheint als machen wir seit Jahren unnötige Tests...

 

Nein, denn die Galley muss dem von Flugzeughersteller gegebenen Limiten entsprechen und das muss natürlich zertifiziert sein. Aber man wird die Galley nicht extra für dieses Teil neu testen.

[Chipart]

Was meinst du damit, dass mit CFK nicht materialgerecht konstruiert wird?

Wie muss man mit CFK so viel anders konstruieren wie mit Aluminium?

 

Man muss nicht - aber man könnte! Und genau das ist das Problem.

 

Natürlich kann man CFK zu Rohren wickeln und diese Rohre dann genau so zusammenkleben wie man Aluminiumrohre zusammenschweisst. Und wenn Du Dir viele Carbonfahhräder z.B. anschaust, dann wirst Du feststellen, dass oft genug genau das gemacht wird.

 

Man kann aber CFK auch in ganz andere Formen bringen, als das mit Aluminiumblechen jemals möglich ist. Technische 3D Formgewebe aus CFK die nachträglich gehärtet werden gibt es noch viel zu selten.

Grund dafür ist, dass die heutige Generation von Konstrukteuren eben mit "Blech im Kopf" aufgewachsen ist und das umlernen schwer fällt - zudem ist die Software da noch ein wesentliches Hindernis.

 

Florian

[Brufi]

Ich habe wohl ein smily vergessen ...:005:

So kommt es mir vor, sorry für meine Begriffstutzigkeit :o

[Volume]

Was meinst du damit, dass mit CFK nicht materialgerecht konstruiert wird?

Wie muss man mit CFK so viel anders konstruieren wie mit Aluminium?

OK, dieses Thema würde vermutlich sogar den Technik-Thread sprengen... Aber mal ein paar Aspekte:

 

Generell sind Metalle isotrope Werkstoffe, das heisst ihre Kennwerte sind in alle Raumrichtungen gleich. Faserverbundwerkstoffe sind generell erstmal extrem anisotrop, in Richtung der Fasern sind die Kennwerte um mehrere Größenordnungen anders, als senkrecht dazu.

In der Praxis sind Metalle deren Festigkeit auf Ausscheidungshärtung beruht, und die bei der Verarbeitung stark verformt werden (also z.B. gewalzte Bleche aus Dualuminium) auch anisotrop, allerdings verändern sich die Werte zwischen Walzrichtung und Dickenrichtung nur um geringe Faktoren, Festigkeiten um deutlich weniger als 2, Ermüdungsfestigkeit um weniger als 5 uns Spannungsrisskorrosion um weniger als 10. Bei Unidirektionalen Faserverbundwerkstoffen reden wir von Faktoren bis 1000. In der Praxis kann ich allerdings auch meinen Faserverbundwerkstoff so aus verschiedenen Geweben oder Unidirektionalbändern schichten, dass ich wenigstens in der Ebene in die selben Größenordnungen komme, wie bei gewalztem Aluminium. Wohlgemerkt: Ich kann, ich muss nicht. Gerade wenn wir Steifigkeit betrachten, ist die Anisotropie von Metallen sehr gering, da reden wir nur noch von wenigen Prozenten, bei Faserverbundwerkstoffen hingegen ist die Anisotropie für Steifigkeiten sogar noch krasser, als für Festigkeiten. Dazu zählt auch die Querkontraktion, hier können sich bei Faserverbundwerkstoffen sogar die Vorzeichen je nach Richtung ändern! Gleiches gilt für die Wärmedehnung.

 

Im Metallflugzeugbau "stört" mich die leichte Anisotropie des Werkstoffs eher, und ich kann sie kaum gezielt ausnutzen, sondern muss sie eher als Risiko beachten. Im Faserverbundflugzeugbau kann ich die Anisotropie ganz gezielt nutzen, um meinen Werkstoff exakt an seine Belastung und Aufgabe anzupassen. Ich kann Bauteile in bestimmte Richtungen bewusst weich machen, um Sekundärspannungen zu verringern, ich kann sie exakt in Richtung der größten Lasten fest machen, um nur ein Minimum an Material einzusetzen. Innerhalb eines Bauteils müssen die Verformungen ja kompatibel sein, wenn das ganze Bauteil in alle Richtungen gleiche Steifigkeiten hat, dann sind auch die Lasten relativ gleichmäßig verteilt. Kann ich aber gezielt bestimmte Bereiche steifer machen (z.B. indem ich dort mehr unidirektionale Fasern verbaue), dann kann ich auch gezielt meine Lasten entlang bestimmter Routen leiten, und so z.B. um Fester- oder Türausschnitte herum. Entsprechend kann ich dann da sehr viel Verstärkungsmaterial einsparen, meine Fensterrahmen wären in diesem Fall z.B. beinahe reine Funktionsteile, die Dichtungen und Fensterscheiben in Position halten, und keine Strukturteile, die die Lasten um die Ausschnitte leiten.

 

Ein anderer ähnlicher Aspekt, für den es glaube ich nicht mal einen richtigen Namen gibt, ist der Unterschied wie in Material auf Zug und Druck reagiert. Metalle sind da ziemlich wahllos (daher hat wohl auch in Jahrhunderten keiner einen Namen dafür erfunden..), ich kann sie statisch auf Zug und Druck in etwa mit gleichen Spannungen belasten. Wenn es dynamisch wird, ändert sich das gewaltig, die Zugspannung die ich für ein dauerfestes Bauteil zulassen kann, liegt z.T. nur bei 10% der Druckfestigkeit. Bei Faserverbundwerkstoffen ist es genau umgekehrt, statisch und dynamisch spielt kaum eine Rolle, und bei beidem ist die Druckfestigkeit des Werkstoffs geringer bis deutlich geringer, als seine Zugfestigkeit. Bei einem Flugzeug bereitet mir daher zum Beispiel in Metall die Flügelunterschale das Kopfzerbrechen, und mein Design muss vor allem auf die Vermeidung von Materialermüdung achten, in Faserverbund hingegen ist meine Flügeloberschale das anspruchsvolle Bauteil, und ich muss vor allem auf die statischen Maximallasten achten.

Nun bedeutet das natürlich auch, dass in Metall meine auf Druck belasteten Bauteile besonders dünn werden dürfen, in Faserverbund hingegen meine auf Zug belasteten. Dazu kommt noch, das grob gesagt Faserverbundwerkstoffe leichter und schwächer sind, und daher tendenziell eher größere Wandstärken aufweisen. All dass macht beim Metallflugzeugbau die Stabilität zu einem dominanten Problem, also das Beulen von flächigen oder Knicken von langen Bauteilen. Zum Teil kann man es gar nicht verhindern, sondern muss die Bauteile sogar gezielt darauf auslegen, beulen zu dürfen. In Faserverbund ist dieses Problem längst nicht so ausgeprägt, allerdings darf man dort in der Regel auch gar nicht beulen, da dies das Material senkrecht zur Ebene belastet, und da sind Faserverbundwerkstoffe sehr schwach. Ausserdem würde es die üblicherweise benutzten Klebeverbindungen auf Schälung beanspruchen, auch das möchte man in der Regel vermeiden. Von daher ist die Auslegung von Bauteilen auf Stabilität für Metall und Faserverbund etwas völlig anderes.

 

Während Metalle (mehr oder weniger) kontinuierliche Materialien sind, in denen Atome in Kristallgittern miteinander allseitig verbunden sind, bestehen Faserverbundwerkstoffe aus sehr festen und steifen Einzelfasern, die an ihrer Oberfläche über vergleichsweise schwache und weiche Harze mit anderen Fasern verbunden sind. Lasten, die einmal in einer Faser sind, werden dort sehr effektiv weitergeleitet. An den Enden einer Faser aber müssen sie erstmal über das Harz eingeleitet werden, dies geschieht wesentlich schlechter, als die Lastweiterleitung von Metallatom zu Metallatom. Von daher ist jede Faser an ihrem Ende genau lastfrei, und trägt erst ein gutes Stück weiter volle Last. Wie viel weiter hängt extrem davon ab, wie genau das Material aus den verschiedensten Faserhalbzeugen (Bänder, Gewebe, Schläuche, Rovings...) zusammengesetzt ist, und welcher Faser- und Matrixwerkstoff benutzt wird. Bei Metall hingegen ist dieser Lasttransfer überall gleich und sehr steif. Wenn ich ein Blech auf Zug belaste, das in der Mitte eine Reihe von Löchern hat (z.B. eine Nietreihe, oder Fenster in einem Rumpf), dann kann ich bereits 3-5 Lochdurchmesser neben der Lochreihe wieder eine praktisch konstante Spannungsverteilung messen. Wenn ich ein unidirektionales Faserverbundbauteil mit einer Lochreihe belaste, dann kann ich noch nach 20-50 Lochdurchmessern feststellen, dass die Fasern die durch die Löcher durchtrennt sind noch geringere Lasten tragen, als die Fasern die neben den Löchern durchlaufen. Der Lasttransfer von belasteten zu unbelasteten Fasern durch das Harz geschieht über sehr lange Strecken. Baue ich in dem Material nun einige zusätzliche Lagen mit diagonal orientierten Fasern ein, kann ich den Lasttransfer enorm verbessern.

 

Aus ähnlichen Gründen kann man bei Faserverbundbauteilen auch Material und Bauteil kaum trennen. Versuchsstücke (Coupons) zu bauen, mit denen man universelle Materialkennwerte bestimmen kann (bei Metall übliches Verfahren), ist praktisch unmöglich. Testet man unidirektionale Werkstoffe auf Zug, so hat man praktisch 100% Einspannungsbrüche, über das Material sagt das wenig aus. Testet man auf Druck, so hat man praktisch 100% Stabilitätsversagen, sprich die Coupons knicken aus. Die genormten Testverfahren und Cuponformen testen die Materialien oft nicht so, wie sie tatsächlich benutzt werden. Dazu kommt noch, das all diese Kennwerte querschnittsabhängig ermittelt werden, dazu werden die Faserverbundcoupons auf Nennmaß geschliffen, wobei man natürlich an der Oberfläche eine Menge Fasern zerstört. Beim eigentlichen Bauteil macht man das natürlich nicht, da ist die Fasermenge vorgegeben, und der Bauteilquerschnitt ergibt sich daraus mit gewissen Toleranzen. Versuchsstücke mit anderen Faserorientierungen haben eine Menge (unbelasteter) Faserenden, der tatsächlich effektiv lasttragende Querschnitt ist ein anderer, als der Nennquerschnitt des Bauteils. Im krassen Fall eines reinen +/-45° orientierten Standardcoupons, verläuft nicht eine einzige Faser von der einen Einspannung zur anderen, man testet eine Haufen nur durch Harz miteinander verbundener Kurzfasern, das ist natürlich überhaupt nicht repräsentativ für ein Bauteil, bei denen jede Faser einmal quer durchs Bauteil, von Lasteinleitung bis Lastableitung läuft. Wenn ich ein Coupon mit Loch teste, dann sind meine ermittelten Werte ganz extrem vom Verhältnis der Lochgröße zur Couponbreite abhängig, da ja die Randfasern wiederum nichts tragen. Derartige Kennwerte sind Bauteilkennwerte des speziellen Coupons, und keinesfalls universelle Materialkennwerte. Als solche werden sie aber am Ende verwendet. In Programmen, die für Metalle gemacht worden sind. Von daher sind so manche mit FEM ermittelten Spannungsverteilungen in Faserverbundbauteilen absoluter Unfug.

 

Im Metallflugzeugbau kann ich (abgesehen von den relativ seltenen Guss- und Schmiedeteilen) eigentlich immer nur ein Halbzeug nehmen, und Material entfernen. Mein Halbzeug bestimmt die größte Materialdicke, und den Rest des Bauteils arbeite ich mehr oder weniger weg (z.T. über 90%), und bringe Erleichterungsbohrungen und Aussparungen ein. Dabei gibt es natürlich Grenzen, denn bei der Bearbeitung treten Kräfte auf, daher kann ich nicht beliebig filigran werden. Bei Faserverbundwerkstoffen kann ich völlig variabel meine Materialmenge wählen, ich bin in keiner Weise beschränkt wie wenig oder wie viel Material ich lokal verbaue. Mein Bauteil wird während der Herstellung in einer Form gestützt, ich kann mich lokal auf eine einzige Lage beschränken, wenn ich es denn möchte.

Bei der Metallverarbeitung kann ich Material nur trennen (sägen, schneiden, Fräsen, Bohren...) mit der Ausnahme von Schweißen und Sintern, die im Flugzeugbau aber unüblich sind. Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen ist es völlig normal, Material zu verbinden. Wenn ich im Metallflugzeugbau etwas verbinden will, dann sind das immer Komponenten, aber nie Material.

Ein kleines Beispiel, wenn ich eine Blechrippe herstelle, dann schneide ich das Material zu, und verforme es anschließend über einem Formteil, indem ich die Flansche umbiege. In der Ecke bleibt dabei immer ein extra ausgeschnittener Bereich, in dem das Bauteil deutlich geschwächt ist, dort entstehen in der Regel dann auch irgendwann Risse. Gebogene Flansche muss ich mit einer Reihe von Sicken und Bördeln herstellen. Wenn ich eine Rippe aus Faserverbundwerkstoffen herstelle, dann kann ich sie über eine Form oder in eine Form bauen (letzteres ist meist schlauer, da ich dann extrem geringe Toleranzen an den entscheidenden Oberflächen habe, herzustellen ist es dagegen etwas leichter über einen Block), dabei schneide ich meine Gewebelagen an der Ecke zwar ein, überlappe sie dann aber beim Einlegen in die Form (oder Auflegen auf den Block), in der Ecke entsteht ein verstärkter Bereich, passend zu den hohen Lasten die ich dort übertragen möchte. Gebogene Flansche lassen sich in einem Stück glatt laminieren, die notwendigen Verformungen liegen in der Regel im Rahmen der Drapierbarkeit der Gewebe.

Nun gibt es allerdings Hersteller, die erst eine Laminatplatte herstellen, mit dem Laser daraus einen "Blechzuschnitt" machen, und das Ganze Analog zur bewährten Blechbearbeitung über Formblöcke ziehen, nur wird das Material diesmal aufgeheizt und auf dem Formblock ausgehärtet. Damit bekomme ich ein Faserverbundbauteil mit all den Schwachstellen eines Metallbauteils.

Ich kann beim Faserverbundbau auch hervorragend lokale Verstärkungen integrieren, z.B. indem ich die Flansche von Ausschnitten (Fenster, Türen...) direkt mit den Schalen zusammen fertige, und dabei auch einen Anteil Fasern rund um die Ausschnitte wickele, dazwischen die lokalen Verstärkungen auf die Schale und in den Flansch laminiere. Damit kann ich Strukturen bauen, die signifikant leichter sind, als eine Differentialbauweise aus vielen Metallteilen. Was viele Hersteller nun aber machen, ist kontinuierliche Schalen zu bauen, da einfach stumpf durch alle Fasern Löcher rein zu fräsen, und dann mit Nieten metallische Lochverstärkungen einzunieten. Um eine ausreichende Nietfestigkeit zu haben, werden Unmengen von Fasern zusätzlich verbaut. Meist sogar nicht nur lokal zur Verstärkung, sondern überall, um überall für Reparaturen ausreichende Nietfestigkeit zu haben. 99% dieser Zusatzfasern werden vermutlich nie gebraucht, aber man weiss halt nicht vorher, bei welchem Prozent man später mal einen Flicken aufnieten muss. Diese wenig optimierten Schalen lassen sich natürlich viel bequemer von einem Roboter legen, komplizierte Bauteile mit integralen Lochverstärkungen, Flanschen, Dichtflächen, Fasen etc., Flügelschalen mit Integrierten Holmen oder Rumpfschalen mit integriertem Fahrwerksschacht kann man praktisch nur von Hand herstellen, und das wollen die Hersteller bei Großflugzeugen offensichtlich nicht. Bei Kleinflugzeugen wird sowas seit beinahe 60 Jahren gemacht.

 

Die Traditionelle Flugzeugbauweise mit versteiften Schalen ist eine klassische Konstruktion des Metallflugzeugbaus, im Holzflugzeugbau haben wir anders gearbeitet. Man bedient sich einfach zu beziehender Standardhalbzeuge (Bleche, Profile) und formt daraus Schalenbauteile indem man aus Blech Rippen und Spanten formt, und darüber senkrecht dazu mit Profilen (Stringern) versteifte Bleche zu ziehen, und mit Unmengen von Nieten zu verbinden. Die Stringer klebt man sogar manchmal auf die Bleche. Die Form des Bauteils wird durch die Positionierung der Rippen und Spante in Vorrichtungen bestimmt. Diese Bauweise entstammt direkt den Möglichkeiten der Verarbeitung der betreffenden Halbzeuge. Bei Faserverbundwerkstoffen kann man das oft viel intelligenter durch die Gestaltung eines einzigen Bauteils lösen. Statt also z.B. eine Rippe aus einem mit Profilen verstärkten Blech zu fertigen, kann man ein einziges Faserverbundbauteil mit integrierten Sicken, Verstärkungen, Bördeln, Flanschen, integrierten Hohlprofilen (=Sandwichbereichen bei denen der Kern nur aus bautechnischen Gründen da ist, aber keine Lasten trägt), oder eben durch (z.T. nur lokale) Sandwichbauweise bauen, das die selbe Aufgabe mit einem einzigen, viel leichteren Bauteil erfüllt. Die Pioniere des Faserverbundflugzeugbaus haben da vor 60 Jahren eine Vielzahl von Lösungen entwickelt, die heute im Kleinflugzeugbau Standard sind, im Großflugzeugbau aber unbekannt.

 

Dann haben Metalle einen bisweilen sehr großen Bereich plastischer Verformung, Faserverbundwerkstoffe praktisch nicht. Im Metallflugzeugbau ist es durchaus üblich, bei der Festigkeitsreserve darauf zurückzugreifen, sprich die Stellen höchster Belastung werden oberhalb der sicheren Last plastisch verformt, und die Lasten auf weniger belastete Regionen oder Bauteile umgeleitet. Bei Faserverbundwerkstoffen geht das nicht, wird an der Stelle höchster Belastung die Bruchspannung (=Streckgrenze) erreicht, so versagt oft das Bauteil, da dieser Bereich schlagartig keine Last mehr aufnimmt, wo ein Metallbauteil die Last konstant weiter getragen hätte. Noch schlimmer wird es, wenn ich Metall- und Faserverbundbauteile miteinander verbinde, und bis über den Elastizitätsbereich des Metalls hinaus belaste, dann ändern sich die Lastverteilungen sofort gewaltig, und die Faserverbundbauteile versagen lokal an den Verbindungselementen. Einige Flugzeughersteller haben das erst schmerzlich lernen müssen, dass die hochbelasteten Verbindungen bei denen beide Werkstoffe verwendet werden versagen, sobald das Metall seine Streckgrenze erreicht. Von daher ist die im Metallflugzeugbau übliche Verbindung von Bauteilen über metallischer Verbindungsteile (Laschen, Beschläge...) ausgesprochen ineffizient.

 

Also um es kurz zu machen, der Unterschied zwischen Metall- und Faserverbundflugzeugbau ist ähnlich dem, zwischen Metall- und Holzflugzeugbau. Kleinflugzeuge aus Faserverbundwerkstoffen sind ähnlich wie Holzflugzeuge gebaut, Militär- und Verkehrsflugzeuge aus Faserverbundwerkstoffen sind fast genau wie Metallflugzeuge gebaut. Spötter (auch innerhalb der Luftfahrtindustrie) pflegen das als "schwarzes Aluminium" zu bezeichnen. Viele glauben aber, es wäre sicherer erstmal nur das Material, und nicht auch noch die Bauweise komplett neu zu wählen... Ausserdem kann man dann einfacher zurück auf Metall gehen, falls es Probleme gibt (die es nie gegeben hätte, wenn man gleich Werkstoffgerecht konstruiert hätte...)

 

Gruß

Ralf

(seit 25 Jahren Faserverbündeter)