Abschlussbericht für das LuFoVI-2- Verbundprojekt ThermoTwin

Abstract

Im Teilvorhaben ConTwin des Verbundprojekts ThermoTwin wurde eine integrierte, digital unterstützte Prozesskette zur Herstellung thermoplastischer, lasttragender Luftfahrtstrukturen entwickelt und validiert. Ziel war die Steigerung von Effizienz, Qualität und Nachhaltigkeit bei gleichzeitiger Reduktion von Energieverbrauch und Ausschuss. Kern des Vorhabens war die Entwicklung eines sensorierten Konsolidierungsverfahrens für hybride thermoplastische Preforms. Durch die Integration hochtemperaturbeständiger Druck- und Temperatursensorik in der Werkzeugkavität konnte eine Online-Qualitätssicherung sowie eine adaptive Prozessregelung umgesetzt werden. Parallel wurden unterschiedliche Fügeverfahren für PAEK-basierte Luftfahrtstrukturen – darunter Induktions-, Ultraschall- und Widerstandsschweißen sowie Co-Konsolidierung – systematisch untersucht, hinsichtlich mechanischer Leistungsfähigkeit, Prozessstabilität und Emissionen bewertet sowie auf geeignete Qualitätssicherungskonzepte untersucht. Alle relevanten Prozessdaten aus Preforming, Konsolidierung, Overmoulding und Fügen wurden in einen digitalen Bauteilzwilling überführt. Dieser ermöglicht eine durchgängige Vernetzung der Prozesskette, ermöglicht die adaptive Anpassung von Prozessparametern an definierte Fehlerbilder sowie eine datenbasierte Bewertung ökologischer und ökonomischer Einflussgrößen. Die Validierung erfolgte anhand eines generischen luftfahrttypischen Schikanebauteils sowie einer Fensterrahmenstruktur. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial zur signifikanten Reduktion von Energiebedarf, CO₂-Emissionen und Ausschussquoten bei gleichzeitiger Erhöhung der Prozesssicherheit und Bauteilqualität. In the ConTwin subproject of the ThermoTwin joint project, an integrated, digitally supported process chain to produce thermoplastic, load-bearing aviation structures was developed and validated. The aim was to increase efficiency, quality, and sustainability while reducing energy consumption and waste. The core of the project was the development of a sensor-based consolidation process for hybrid thermoplastic preforms. The integration of high-temperature-resistant pressure and temperature sensors in the mold cavity enabled online quality assurance and adaptive process control. At the same time, different joining processes for PAEK-based aerospace structures – including induction, ultrasonic, and resistance welding as well as co-consolidation – were systematically investigated, evaluated in terms of mechanical performance, process stability, and emissions, and examined for suitable quality assurance concepts. All relevant process data from preforming, consolidation, Overmoulding, and joining were transferred to a digital component twin. This enables end-to-end networking of the process chain, adaptive adjustment of process parameters to defined error patterns, and data-based evaluation of ecological and economic influencing factors. Validation was carried out using a generic aerospace-typical baffle component (GLS) and a window frame structure. The results show the potential for a significant reduction in energy consumption, CO₂ emissions, and scrap rates while simultaneously increasing process reliability and component quality.