03 Mai 2016  |  Matériaux
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 06/2015

Primärstrukturbauteil aus Hochleistungskunststoff für Flugzeugtüren

Bei einem Beschlag der Flugzeugtür für den Airbus A350-900 wird Aluminium durch einen hochsteifen, kohlenstofffaserverstärkten Hochleistungskunststoff ersetzt. Der funktionsgleiche Befestigungsclip ist nach entsprechender Bauteilqualifikation bereits in der Serienfertigung im Einsatz. Durch die erfolgreiche Metallsubstitution wird eine Gewichts- und Kostenreduktion von jeweils 40 Prozent erzielt.

Dans une ferrure de la porte de l’Airbus A350-900, on a remplacé l’aluminium par une matière synthétique haute performance extrêmement rigide, renforcée par des fibres de carbone. Le clip de fixation remplissant la même fonction est déjà utilisé dans la fabrication en série, suite à la qualification de cet élément. La réussite de la substitution de ce métal a permis une réduction de 40 %, aussi bien du poids que des coûts.

Die Faser-Kunststoff-Verbund-(FKV-)Struktur der A350-Flugzeugtür nutzt eine Aussenhaut sowie eine Versteifungsstruktur auf der Innenseite. Ein nun aus dem «PEEK 90HMF40»-Thermoplast hergestellter Beschlagverbindet punktuell die Aussenhaut mit der inneren Versteifungsstruktur. Die beiden Bauteile bilden ein Kastentragwerk, um das maximale Flächenträgheitsmoment auszunutzen.
Christian Wolf, Head of Airplane Doors Research and Technology bei Airbus Helicopters, verdeutlicht die Funktionsweise und Bedeutung des neuen Bauteils: «Für den Standardlastfall, also den Kabineninnendruck, reduziert diese punktförmige Verbindung die Verformung auf der Aussenhaut und stellt damit die aerodynamische Qualität der Flugzeugtür sicher. Alle Bauteile in der Tür sind einfach redundant ausgelegt. Fällt ein Bauteil in der Umgebung der Halterungaus, stellt sie einen alternativen Lastpfad für die Übertragung von strukturellen Lasten dar und ist somit ein Teil der Primärstruktur des Flugzeugs.»
 
Diese Flugzeugtürhalterung ist das erste Primärstruktur-Bauteil aus dem hochsteifen, kohlenstofffaserverstärkten Hochleistungskunststoff «Victrex PEEK 90HMF40». (Bild: Airbus Helicopters)
 
Neue Halterung reduziert Kosten und verbessert die Qualität
Durch den Einsatz des kohlenstofffaserverstärkten Hochleistungskunststoffs «Victrex PEEK 90HMF40» anstelle des bisherigen Aluminiums ist es Airbus Helicopters gelungen, ein funktionsgleiches Teil zu fertigen, das eine Reihe von Vorteilen bietet. Das Gewicht und die Herstellungskosten konnten um jeweils 40% reduziert werden. Bei der Verbindung des Kunststoffs- anstelle des Aluminiumbauteils mit einem Duroplast entsteht eine Vereinfachung beim Bohren. Durch die Verwendung von optimierten CFK-Bohrern verbessert sich die Lochqualität im Vergleich zur bisherigen Lösung.
Der Thermoplast «Victrex PEEK 90HMF40» ist ein bei Airbus spezifizierter Werkstoff. Er widersteht prob­lemlos der kontinuierlich auftretenden Feuchtigkeit in den Flugzeugtüren. Für korrosionsanfälliges Aluminium hingegen wurde eine spezielle Oberflächenbehandlung benötigt, um Korrosion zu vermeiden. «Das geeignete Material von Victrex, aber auch das Know-how und die Zusammenarbeit mit den Werkstoffexperten haben zur erfolgreichen Entwicklung und Bauteilqualifikation beigetragen. Das Know-how aus der ersten Anwendung von faserverstärktem Peek lässt sich auf weitere Bauteile sowie auch andere Einsatzgebiete mit ähnlichen Anforderungen übertragen», bemerkt Christian Wolf.
 
Hybridspritzgussverfahren für Composite-Halterungen für den Flugzeugbau.
(Bild: Tri-Mack Plastics Manufacturing Corp.)
 
Neue Entwicklungen und Investitionen sichern Vorsprung
Im Flugzeugbau ist das «design&build»-Vorgehen, zum Beispiel die Entwicklung entsprechend einer vorgegebenen Spezifikation, eine mögliche Option für die Realisierung von Strukturbauteilen. Bei dieser Vorgehensweise hat der Entwickler zusätzliche Freiheitsgrade etwa bei der Materialauswahl. «Victrex PEEK 90HMF40 ist ein spezieller Hochleistungsthermoplast, der sich auch für tragende Strukturbauteile eignet, wie jetzt erstmals im Airbus A350-900, und damit für den regulären Flugbetrieb. Dieser ersten Anwendung folgen sicher sehr schnell weitere», erklärt Uwe Marburger, Aerospace Business Development Manager bei Victrex.
Das weltweit agierende Unternehmen aus Grossbritannien ist innovativer Weltmarktführer bei Hochleistungspolymerlösungen für die Luftfahrt-, Automobil- und Elektroindustrie, den Energiesektor und die Medizintechnik. Es verfügt über eine 35jährige Erfahrung und bietet nicht nur auf Polyaryletherketonen (PAEK) basierende Lösungen, sondern auch eine konstante Produktqualität sowie eine hohe Liefersicherheit. Täglich vertrauen Millionen Menschen den Produkten und Anwendungen, die Polymere des Unternehmens enthalten: Smartphones, Flugzeuge, Autos, Öl- und Gasanlagen oder Produkte im medizinischen Bereich.
Im April 2015 hat das Unternehmen die dritte Produktionsanlage in Betrieb genommen und damit seinen Vorsprung als führender Anbieter von PAEK, zu denen «Victrex PEEK» zählt, weiter ausgebaut. «Wir stehen auch in Zukunft für neue Herausforderungen bereit, zum Beispiel wenn es um partnerschaftliche Zusammenarbeit bei design&build-Anwendungen geht und neben der Materialauswahl auch ein neues Design nötig ist, um die vorgegebene Funktion zu erreichen», versichert Uwe Marburger.
Konstrukteure der Luft- und Raumfahrttechnik sowie Verarbeiter profitieren vom Einsatz des mit hochsteifen Kohlenstofffasern verstärkten Hochleistungskunststoffes «Victrex PEEK 90HMF40». Er basiert auf der 90er-Serie des «Victrex-PAEK», die primär für sehr dünnwandige Spritzguss-Bauteile verwendet wird. Aus dem leicht fliessenden, einfach zu verarbeitenden Material lassen sich hochfeste Bauteile herstellen. Seine Eigenschaften gehen über jene der Standardtypen hinaus. So verfügt der Hochleistungskunststoff über eine bis zu hundertfach längere Ermüdungsdauer und eine bis zu 20% höhere spezifische Festigkeit und Steifigkeit, verglichen mit Aluminium 7075-T6, unter gleichen Bedingungen.
 
Geringere Produktions- und Montagezeiten
Das Unternehmen hatte erst kürzlich die erfolgreiche Einführung des Advanced-Hybrid-Molding-Verfahrens verkündet, das eine sehr gute Kombination aus Festigkeit und Designfreiheit speziell bei der Entwicklung sehr leichter Strukturbauteile ermöglicht. Die an Komponenten im Flugzeugbau gestellten Anforderungen übersteigen die Leistungsgrenzen von bislang verwendeten Metallen und duroplastischen Composite-Werkstoffen. Die Einführung des Hybrid Spritzgiessverfahrens erlaubt Ingenieuren, die Festigkeit von endlosfaserverstärkten «Victrex PAEK»-Composites mit der Designflexibilität von «PEEK»-Spritzgiesslösungen zu kombinieren. Das Umspritzen ermöglicht eine kostengünstigere die Bauteilefertigung in Minuten, während es bei metallischen oder duroplastischen Lösungen mitunter Stunden sein können. Zudem lässt sich durch die spezifische Festigkeit eine bis zu 60prozentige Gewichtseinsparung erreichen, während durch Teilekonsolidierung elegante, hochfunktionale Komponenten entstehen, die die Fertigungszeiten und -kosten sowie das Gewicht verringern.
 
Victrex plc
GB-Lancashire
 
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