Leichtbau: Flügel für fliegende Plattformen

DLR / Gedruckte formvariable Flügelhinterkante

Leichtbaustrukturen aus faserverstärkten Kunststoffen sind gefragt – in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau oder der Windenergiebranche. Die Strukturen werden zunehmend komplexer und individueller. Mittels 3D-Druck schaffen Techniker immer anspruchsvollere Leichtbauteile, deren Einsatz in der Faserverbundfertigung neue Wege eröffnet.

Gegenwärtig erforscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), wie 3D-Druckverfahren in bestehende Produktionstechnologien integriert werden können. Bisher nicht effizient herstellbare multimaterielle und mehrskalige Werkstoffe sowie Strukturen und Systeme mit integrierten Funktionen, sollen in naher Zukunft leichter und kostengünstiger realisierbar sein. Erste Erfolge vermelden die Wissenschaftler bei der Fertigung von Flügelrippen für ultraleichte fliegende Höhenplattformen und bei formvariablen Flügelkanten.

Elastische Flügelkanten und ultraleichte Flügelrippen

Das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik in Braunschweig forscht bereits seit Jahrzehnten in der Faserverbundfertigung. Die Forschung wird nun mit der Anschaffung neuer 3D-Drucker ergänzt. Kern sind additiven Verfahren. Sie kombinieren 3D-Druck-Technologien mit klassischen Faserverbundfertigungstechnologien wie dem Automated Fiber Placement (AFP). Damit können Faserverbundstrukturen aus unterschiedlichen Materialien mit verschiedensten Geometrien und Funktionen sogar ohne Formwerkzeug hergestellt werden. In dem Braunschweiger Institut werden zukünftig die 3D-Drucktechnologien Fused Deposition Modeling (FDM) sowie das Multi Jet Modeling (MJM) angewendet.

Erste Bauteile aus dem neuen Labor sind beispielsweise Flügelrippen für ein Solar-Hale-Flugzeug – eine fliegende Plattform, die durch ihr geringes Gewicht allein durch Sonnenenergie aus Solarzellen in der Luft gehalten wird. Die Rippen werden direkt durch eine Kombination von Carbonendlosfasern und einem thermoplastischen Kunststoff gedruckt.  Der 3D-Druck ermöglicht eine kraftflussgerechte Verwendung der Fasern. So müssen weniger Fasern und Kunststoff verbaut werden und das Bauteil wird noch leichter.

Ein weiterer Anwendungsfall: Formveränderliche Strukturen, die zukünftig im Bereich der Steuer- und Landeklappen von Flugzeugtragflächen eingesetzt werden können. Mit ihnen können Techniker Kraftstoffeinsparungen erzielen. Die Kombination von festen und flexiblen Materialien ermöglicht mittlerweile den 3D-Druck formvariabler Flügelkanten, die über elastische luftdruckgesteuerte Zellen verfügen. Die mit einem Hohlraum ausgestatteten Luftdruckzellen sind gleichzeitig stabil und flexibel.

Keine Grenzen bei Formen

Um künftig die automatisierte Fertigung der 3D-gedruckten Bauteile weiter zu optimieren, wäre beispielsweise eine spezieller 3D-Druck-Kopf auf einem gängigen Industrie-Roboter denkbar. So könnten verschiedenen Fertigungsverfahren auf einem Bauteil kombiniert werden. Prof. Hans Peter Monner vom DLR sieht dafür viel Potenzial: „Die Vision geht dahin, dass die Produktion heutiger Faserverbundbauteile mittels Faserablegeköpfen mit den neuen Möglichkeiten des 3D-Drucks quasi verschmilzt.“

Das erfordert eine neue ganzheitliche Methodik mit innovativen Ansätzen für Material, Entwurf, Auslegung, Optimierung, Fertigung, Produktion bis hin zur Zertifizierung, die die beste Kombination aus verschiedenen Fertigungsverfahren in jeder Phase berücksichtigt. Die Grundstruktur könnte im klassischen Fibre-Placement-Verfahren aufgebaut werden. Additiv könnten mit der neuen Technologie zusätzliche Funktionen – Integrierte SHM-Systeme, leichte und akustisch optimierte Strukturen, leichtbaugerechte Crash-Systeme, integrierte Antennen, integrierte Beleuchtung oder formvariable Eigenschaften (Morphing) –  in das Bauteil hineingedruckt werden. „Durch den Wegfall eines Formwerkzeugs werden Kosten eingespart und der Variantenvielfalt der Strukturen sind keine Grenzen mehr gesetzt“, blickt Prof. Monner in die Zukunft.

Bild: DLR / Gedruckte formvariable Flügelhinterkante