Abschlussbericht für das LuFo VI-2- Verbundprojekt ThermoRep3D - "3D Reparatur von thermoplastischen Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen durch CFK-Strukturen auf Basis kontinuierlicher Faserverstärkung"

Abstract

Das Projekt ThermoRep3D verfolgte das Ziel, die technologische Basis für die Reparatur gekrümmter, last- und schadensfallangepasster thermoplastischer CFK-Strukturen in der Luftfahrt zu schaffen. Zentrales Anliegen war die Entwicklung eines prozesssicheren, reproduzierbaren und industriell übertragbaren Verfahrens zur Herstellung und Integration von 3D-Hybrid-Patches. Dabei wurden moderne Fertigungstechnologien wie Tailored Fiber Placement (TFP), laserbasierte Schäftung und thermoplastisches Induktionsschweißen kombiniert, um die mechanische Leistungsfähigkeit der reparierten Bauteile zu gewährleisten und gleichzeitig die Prozesszeiten deutlich zu reduzieren. Im Projektverlauf wurden zunächst geeignete Suszeptormaterialien für die induktive Erwärmung untersucht. Graphit konnte aufgrund seiner homogenen Temperaturverteilung und geringen Empfindlichkeit gegenüber Randeffekten als bevorzugtes Material identifiziert werden. Parallel dazu wurden Schäftungs- und Patchgeometrien systematisch entwickelt und optimiert, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Reparaturpatch und Grundstruktur sicherzustellen. Umfangreiche Parameterstudien zur Heizrate, Haltezeit und Abkühlung ermöglichten die Definition reproduzierbarer Prozessparameter, die mechanisch nahezu referenznahe Eigenschaften der reparierten Bauteile sicherstellen. Die Herstellung der Patches erfolgte über das TFP-Verfahren, ergänzt durch thermoplastische Tape-Laminate, wodurch sowohl die Anpassung an komplexe Geometrien als auch wirtschaftliche Flexibilität bei kleineren Stückzahlen erreicht wurde. Durch die schichtweise Integration der Patches mittels induktivem Schweißen konnte die Werkzeugnutzung optimiert und die Fertigungskosten gesenkt werden. Die Verfahren wurden erfolgreich auf gekrümmte Demonstratorbauteile übertragen, wobei die mechanischen Kennwerte der Schweißverbindungen den Vergleich mit etablierten Klebeverbindungen bestehen und eine hohe Formtreue der Strukturen nachgewiesen werden konnte. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse praxisnah auf Fachkonferenzen, Anwenderworkshops sowie in Industrie-Workshops präsentiert. Hierbei erhielten Industriepartner und Forschungsinstitute die Möglichkeit, die entwickelten Anlagen, Technologien und Prozesse unmittelbar zu erleben und zu diskutieren. Durch die Integration der Projektergebnisse in Lehrveranstaltungen am FIBRE wird zudem der Wissenstransfer an zukünftige Ingenieurinnen und Ingenieure gewährleistet. Insgesamt liefert ThermoRep3D einen wertvollen Beitrag zur Verbesserung der Wartungs- und Instandsetzungsprozesse in der Luftfahrt, insbesondere für thermoplastische CFK-Bauteile. Die entwickelten Verfahren ermöglichen eine zeiteffiziente, materialschonende und reproduzierbare Reparatur. Die langfristigen Erfolgsaussichten hängen dabei vom weiteren Trend zu großvolumigen thermoplastischen CFK-Strukturen in der Luftfahrt ab. Das Projekt legt damit die Grundlage für zukünftige Forschungsvorhaben, industrielle Anwendungen und Folgeprojekte im Bereich thermoplastischer Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe. The ThermoRep3D project aimed to establish the technological foundation for repairing curved, load- and damage-adapted thermoplastic CFRP structures in aerospace applications. The central objective was the development of a process-secure, reproducible, and industrially transferable method for the fabrication and integration of 3D hybrid patches. Modern manufacturing technologies, including Tailored Fiber Placement (TFP), laser-based scarfing, and thermoplastic induction welding, were combined to ensure the mechanical performance of the repaired components while significantly reducing process times. During the project, suitable susceptor materials for inductive heating were first investigated. Graphite was identified as the preferred material due to its homogeneous temperature distribution and low sensitivity to edge effects. In parallel, scarfing and patch geometries were systematically developed and optimized to ensure a cohesive bond between the repair patch and the base structure. Extensive parameter studies on heating rate, dwell time, and cooling enabled the definition of reproducible process parameters that provide mechanical properties of the repaired components close to reference levels. The patches were manufactured using the TFP process, complemented by thermoplastic tape laminates, allowing both adaptation to complex geometries and cost-effective flexibility for small series production. Layer-wise integration of the patches via induction welding optimized tool usage and reduced manufacturing costs. The methods were successfully transferred to curved demonstrator components, with the mechanical performance of the welds matching that of established adhesive bonds and demonstrating high shape fidelity of the structures. Furthermore, the project results were presented in applied settings at specialist conferences, user workshops, and industry workshops. Industry partners and research institutes were able to experience and discuss the developed equipment, technologies, and processes firsthand. Integration of the project outcomes into FIBRE’s teaching activities also ensures the transfer of knowledge to future engineers. Overall, ThermoRep3D provides a valuable contribution to improving maintenance and repair processes in aerospace, particularly for thermoplastic CFRP components. The developed methods enable time-efficient, material-preserving, and reproducible repairs. The long-term success of these approaches depends on the continued adoption of large-scale thermoplastic CFRP structures in aerospace. The project thus lays the groundwork for future research, industrial applications, and follow-up projects in the field of high-performance thermoplastic fiber-reinforced composites.