HIOS - Hochintegrierte Organobleche - Teivorhaben: FIBRE: Thermofügen hochintegrierter Organobleche für Strukturanwendungen; STFI: Hochintegrierte bauteilspezifische Organobleche auf Basis von rCFVliesstoffen und funktionalisierten TFP-Tapes

Abstract

Die aktuellen Trends der Luftfahrtforschung sind Klimaschutz und Ressourceneffizienz. Die angestrebte klimaneutrale Luftfahrt erfordert innovative Fertigungstechnologien und alternativen Antriebskonzepte. Enormes Leichtbaupotential bieten carbonfaserverstärkte Polymere durch geringe Dichte bei hohen Festig- und Steifigkeiten bei steigender Nachfrage. Thermoplastische faserverstärkte Polymere erlauben eine effiziente Produktion mit hohem Volumen durch ihre Prozessflexibilität, Schweißbarkeit, Recyclingfähigkeit sowie kurze Zykluszeiten. Verfahren zur Herstellung von recycelten Carbonfaser-Vliesstoffen sind industriell verfügbar. Um die Entwicklung der fehlenden Prozesse und Verfahren zum Wiedereinsatz in Bauteilen voranzutreiben, entwickelten STFI und FIBRE eine ressourceneffiziente Prozesskette zur quasikontinuierlichen Fertigung hochintegrierter Organobleche für Luftfahrtanwendungen auf Basis lokal verstärkter Vliesstoffe aus recycelten Carbonfasern mit zugehörigem Thermoform- und Fügeprozess auf Endkontur. Als effizientes Verfahren zur Fertigung schalenförmiger Bauteile mit konstanten Dicken ist das Thermoformen etabliert. Die Integration der Organoblechherstellung in die Bauteilentwicklung konnte das Potential des Thermoformens erhöhen und die Prozesskette verkürzen. Im Vorhaben wurde die Prozesskette eines generischen Spoilers mit integriertem Z Holm demonstriert. Das STFI entwickelte einen quasi-kontinuierlichen Prozess zur Herstellung lokal dickenvariabler Organobleche aus rCF - Vliesstoffen mittels Intervallheißpresse. Während der Organoblechfertigung werden lokal lastgerechte Verstärkungen eingebracht, hier der integrierte Z-Holm. Ergänzende lastangepasste Verstärkungsbänder erhöhen die Leistungsfähigkeit weiter. Das FIBRE entwickelte den zugehörigen Thermoformprozess. Das im IR-Feld erwärmte Organoblech für die untere Spoilerhaut wird in der Presse geformt und verbleibt nach dem Abkühlen dort. Ein eingeschwenkter IR-Strahler erwärmt nur den Fügebereich. Ein Teil des oberen Werkzeugs wird abgetrennt und als Kern und Pressfläche eingesetzt. Parallel wird ein zweites Organoblech im IR-Feld erwärmt und in die Presse verbracht. Die Presse schließt, formt die obere Haut und verbindet sie gleichzeitig mit der Unteren. Die entstandenen Box-Struktur enthält den integrierten Z-Holm, wodurch weitere Fügeprozesse entfallen. Der Prozess entspricht einer Co-Konsolidierung mit lokaler Erwärmung des Fügebereichs. Die Integration angepasster Verstärkungen in die Organoblechfertigung stellt einen neuen Herstellungsansatz dar, der den Stand der Technik überschreitet. Sonst angewendete Pick & Place Verfahren stoßen bei großen Strukturen und Stückzahlen an Grenzen. Der entwickelte 2-Stufige Thermoformprozess mit zugehörigem Werkzeugkonzept ist eine Weiterentwicklung des konventionellen Thermoformens. Erstmals wurden dickenvariable Organobleche ohne zusätzliche Werkzeuge oder Fügeprozesse zu Box-Strukturen auf Endkontur thermogeformt. Das Thermoformwerkzeug dient sowohl dem Formen einzelner Komponenten als auch als Fügewerkzeug. Die Prozesse sind auf weitere Anwendungen, Strukturen und Materialkombinationen übertragbar. The current trends in aviation research are climate protection and resource efficiency. The goal of climate-neutral aviation requires innovative manufacturing technologies and alternative propulsion concepts. Carbon fibre-reinforced polymers offer enormous potential for lightweight construction due to their low density and high strength and stiffness, and demand for them is growing. Thermoplastic fibre-reinforced polymers enable efficient high-volume production thanks to their process flexibility, weldability, recyclability and short cycle times. Processes for manufacturing recycled carbon fibre nonwovens are commercially available. In order to advance the development of the missing processes and procedures for reuse in components, STFI and FIBRE developed a resource-efficient process chain for the quasi-continuous production of highly integrated organic sheets for aerospace applications based on locally reinforced nonwovens made from recycled carbon fibres with associated thermoforming and joining processes on the final contour. Thermoforming is an established and efficient process for manufacturing shell-shaped components with constant thicknesses. The integration of organic sheet production into component development has increased the potential of thermoforming and shortened the process chain. The project demonstrated the process chain for a generic spoiler with an integrated Z-spar. The STFI developed a quasi-continuous process for manufacturing organo-sheets with locally variable thicknesses from rCF nonwovens using an interval hot press. During organo-sheet production, locally load-adapted reinforcements are incorporated, in this case the integrated Z-spar. Additional load-adapted reinforcement strips further increase performance. The FIBRE developed the associated thermoforming process. The organic sheet for the lower spoiler skin, heated in the IR field, is formed in the press and remains there after cooling. A swivelled IR emitter heats only the joining area. Part of the upper tool is separated and used as a core and pressing surface. At the same time, a second organic sheet is heated in the IR field and transferred to the press. The press closes, forms the upper skin and simultaneously bonds it to the lower skin. The resulting box structure contains the integrated Z-stringer, eliminating the need for further joining processes. The process corresponds to co-consolidation with local heating of the joint area. The integration of customised reinforcements into organic sheet metal production represents a new manufacturing approach that goes beyond the state of the art. Pick & place processes otherwise used reach their limits with large structures and high quantities. The developed 2-stage thermoforming process with associated tool concept is a further development of conventional thermoforming. For the first time, organo sheets of variable thickness were thermoformed into box structures with a final contour without additional tools or joining processes. The thermoforming tool is used both for forming individual components and as a joining tool. The processes are transferable to other applications, structures and material combinations.