Entwicklung eines Produktionskonzeptes für rahmenförmige CFK-Strukturen im Flugzeugbau

Science-Report aus dem Faserinstitut Bremen , Bd. 2

Paul Jörn

ISBN 978-3-8325-0477-9
120 Seiten, Erscheinungsjahr: 2004
Preis: 40.50 €

Inhalt:
In der Luftfahrtindustrie sind Gewichtseinsparungen aus ökonomischen und ökologischen Gründen von zentraler Bedeutung. Die Gruppe der Faserverbundwerkstoffe ermöglicht die Umsetzung eines konsequenten Leichtbaus. Durch den Einsatz von Kohlenstofffasern, die eine hohe gewichtsbezogene Festigkeit und Steifigkeit aufweisen, kann das Gewicht von konventionellen metallischen Strukturbauteilen um bis zu 30 % reduziert werden. Um die Vorteile der Faserverbundwerkstoffe gegenüber den Metallen vollständig ausnutzen zu können, muss ein Bauteil faserverbundgerecht gestaltet, und die Fasern lokal entlang der Hauptspannungsrichtungen orientiert werden. Innovative Textil- und Injektions-/Infusionstechnologien erlauben eine industrielle, faserverbundgerechte Fertigung von CFK-Hochleistungsstrukturen. Zum Erreichen der Kosten- und der Gewichtsziele ist eine automatisierte Prozesskette unumgänglich.

Im Rahmen dieser Arbeit werden nasstechnologische Fertigungsweisen für eine Massenproduktion von rahmenförmigen CFK-Strukturbauteilen untersucht. Dabei wird eine automatisierte Prozesskette für faserverstärkte Kunststoffe am Beispiel eines CFK-Fensterrahmens für ein Passagierflugzeug entwickelt. Im Mittelpunkt steht ein industrielles Fertigungsverfahren für komplexe Preforms. Das hierbei entwickelte "Wickel-Drapier-Verfahren" ermöglicht die Herstellung von Sub-Preforms aus ebenen vorkonfektionierten Halbzeugen, die nach einem Wickelprozess gleichförmig umdrapiert werden. In einem Kompaktierungsschritt werden die Sub-Preforms unter Einsatz eines Binders montiert und vorkompaktiert, um anschließend in einem automatisierten RTM-Prozess mit Harz infiltriert und ausgehärtet zu werden. Für die einzelnen Prozessschritte werden Automatisierungsmöglichkeiten aufgezeigt und grundsätzliche Kostenbetrachtungen vorgenommen.

Content:
Generally weight savings are of great importance meeting economical and ecological targets for the aviation business. Fibre-reinforced composites have a key function in aeronautical lightweight structures. Using carbon fibres with high strength and modulus a weight reduction compared to metallic structures of 30 % is feasible. To reach the best material properties the design of the part needs to be optimised for composites by orientating the fibres locally in direction of the main stress tensors. Innovative textile and resin injection/infusion technologies allow an industrial, fibre optimised production process of highly loaded fibre reinforced plastic structures. To meet the cost and weight targets an automated production process is necessary.

This thesis deals with preform and injection processes for a mass production of frame shaped carbon fibre reinforced plastic (CFRP) parts. An automated production chain for fibre reinforced parts is developed looking for a solution to produce a CFRP window frame for a passenger aircraft. The paper is focussed on an industrial production for complex preforms. A new production method, the "`wind-drape-process"', is explained. The process inputs textile semi-finished products strips into a winding procedure. The wound preform is draped homogeneously into net-shape in a second step. Sub-preforms are inserted in a compaction tool to assemble them with binder technology. Thus a pre-compacted preform can be easily inserted in an injection mould. Afterwards the preform is infiltrated by resin in an automated RTM process and cured. Possibilities for process automation and cost issues are highlighted for single process steps.