Das DLR auf der JEC World 2019 in Paris

Effizientes Fügen durch Widerstandsschweißen

Fügetechniken sind ein Schlüssel, um thermoplastische Verbundstoffe erfolgreich in zukünftige Luftfahrtanwendungen einzubringen. Am DLR-Stand zeigt das Institut  für Bauweisen und Strukturtechnologie den Full-Scale-Demonstrator einer thermoplastischen Druckkalotte, der im elektrischen Widerstandsschweißverfahren am Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie in Augsburg gefügt wurde. Dieser wurde in Kooperation mit der Premium AEROTEC GmbH, dem Institut für Verbundwerkstoffe Kaiserslautern und TenCate aus acht thermogeformten CF-PPS-Segmenten hergestellt. Den Wissenschaftlern gelang es erstmals, den Schweißprozess auf ein gekrümmtes Bauteil mit Schweißnähten dieser Länge anzuwenden. Um für jeden Anwendungsfall die jeweils optimale Fügetechnik zu kennen, arbeitet das ZLP Augsburg an der Automatisierung weiterer Verfahren wie dem kontinuierlichen Ultraschallschweißen. Beide Technologien werden auf der Messe vorgestellt.

Nutzlastcontainer für Höhenforschungsrakete Finalist für den JEC Award

Ergänzend zu den Schweißtechnologien werden an den DLR-Standorten Stuttgart und Augsburg Automated Fibre Placement (AFP)-Verfahren für industrielle Anwendungen entwickelt. Im Rahmen der JEC wird ein Nutzlastcontainer für eine Höhenforschungsrakete vorgestellt, der in einem einstufigen in-situ Verfahren aus kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Tapes (CF-PEEK) hergestellt wurde. Die Realisierung ohne zusätzlichen Nachkonsolidierungsprozess markiert einen großen Entwicklungsschritt, da teure und zeitaufwändige Vakuumsackverfahren eingespart werden können. Noch in diesem Jahr wird der Nutzlastcontainer im Rahmen des ATEK-Projektes auf der Höhenforschungsrakete VSB-30 mitfliegen und ist damit eine der ersten Primärstrukturen im Flugbetrieb, die in-situ mit dem AFP-Verfahren hergestellt wurden. Das Bauteil ist in der Kategorie Aerospace für den JEC Innovations Award nominiert.

Neuartige Heiztechnologie für die automatisierte Ablage von Thermoplasten

Im Rahmen des EU-Forschungsprogramms 'CleanSky 2' arbeitet das Zentrum für Leichbauproduktionstechnologie in Stade gemeinsam mit der Firma Heraeus Nobelight an der humm3® Erwärmungstechnologie für die automatisierter Ablage von thermoplastischen Materialien. Die multirobotische GroFi®-Anlage am DLR in Stade bietet hierbei beste Voraussetzungen zur Validierung der Erwärmungstechnologie für den 'Automated Fibre Placement'-Prozess an großskaligen thermoplastischen Luftfahrtstrukturen. Im Fokus der Arbeiten steht eine deutliche Steigerung der Ablegeraten für thermoplastische Strukturen unter Einhaltung der geltenden Qualitätsanforderungen.

Durchgängig automatisierte Prozesskette für CFK-Fertigung großer Strukturbauteile

Im Projekt ProtecNSR untersucht das Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie in Augsburg anhand der Fertigung einer Druckkalotte die Verkettung von automatisierten Teilprozessen zu einem durchgängigen Gesamtprozess. Am Stand zeigen die Wissenschaftler einen Multikinematik-Greifer, der im Rahmen des Projekts entwickelt wurde. Durch drei Arme mit jeweils mindestens sechs Freiheitsgraden ist dieser flexibel einsetzbar. Er kann sich ändernden Anforderungen unterschiedlicher Szenarien (Ablage von Halbzeugen und Hilfsstoffen, Platzieren von Stringern) anpassen und unterschiedliche Geometrien und Größen von Zuschnitten sicher handhaben.

Additive Fertigung eröffnet neue Möglichkeiten

Auf der 'Composites in Action – Additive Manufacturing Area' (Stand Q 90) zeigt das DLR seine Tätigkeiten im Bereich 3D-Druck. Die rasante Entwicklung des 3D-Drucks schafft hier immer anspruchsvollere Leichtbauteile, deren Einsatz in der Faserverbundfertigung neue Möglichkeiten eröffnet.

Unter dem Begriff AddCompS™ (Additive Composite Structures) wird erforscht, wie sich 3D-Druckverfahren in bereits bestehende Produktionstechnologien integrieren lassen. Die Vision geht dahin, dass die Produktion heutiger Faserverbundbauteile mittels Faserablegeköpfen mit den neuen Möglichkeiten des 3D-Drucks quasi verschmilzt. Dies erfordert eine neue ganzheitliche Methodik mit innovativen Ansätzen für Material, Entwurf, Auslegung, Optimierung, Fertigung, Produktion bis hin zur Zertifizierung, welche die beste Kombination aus verschiedenen Fertigungsverfahren in jeder Phase berücksichtigt. Das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik entwickelt eine neuartige additive Extrusionstechnologie. Diese verarbeitet sowohl Standardthermoplaste als auch Hochleistungsmaterialien wie PEI oder PEEK. Mit Hilfe des innovativen Verfahrens werden zugeführte Kohlenstoffendlosfasern bereits in der Extrusionseinheit mit dem Thermoplast imprägniert. Die direkte Verarbeitung der Rohmaterialien ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung eines CFK-Bauteils.

Das Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie entwickelt im Projekt IRAS (Integrated Research Platform for Affordable Satellites) Technologien zur flexiblen und kostengünstigen Herstellung von Satellitenstrukturen. Die große Gestaltungsfreiheit beim 3D-Druck ermöglicht es, leichte, multifunktionale Bauteile zu entwerfen, herzustellen und zu qualifizieren. Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Integration von Elektronik und Sensoren in lasttragende Sandwichplatten. Im Projekt MuSiK wird der Multimaterialdruck von C/Si/SiC-Keramiken realisiert. Hierbei werden selbst entwickelte präkeramische Compounds als Filamente oder Pellets über additive Extrusion zu keramischen Bauteilen verarbeitet. Diese eignen sich für den Einsatz in Komponenten, die hohen Temperaturen, Korrosion, Druck und Verschleiß ausgesetzt sind. Anwendungsgebiete liegen neben der Raumfahrt auch im Energiesektor.

Flugzeugwartung der Zukunft

Am Beispiel der 'Airbrake' zeigt das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik die zukünftige Möglichkeit zur Flugzeugwartung auf der Grundlage von Augmented Reality, Remote Collaboration und einer dezentralen Datenbank (Digitaler Zwilling). Die Demonstration beinhaltet ein Structural Health Monitoring-System für die In-Service Inspektion auf Basis von Ultraschallwellen (Lamb-Wellen). Diese Wellen werden über ein Netzwerk von 36 piezokeramischen festinstallierten Wandlern angeregt und empfangen und können so Strukturschäden detektieren. Durch eine Augmented-Reality-Brille, hier die 'Microsoft HoloLens', kann eine Inspektionsaufgabe durchgeführt werden. Das System kann somit als Schnittstelle für den Informationsaustausch zwischen realem Bauteil und digitalem Zwilling dienen. Ein solches System hat das Potenzial, die Instandhaltungsqualität zu erhöhen und die Kosten sowie die Ausfallzeiten eines Flugzeugs deutlich zu reduzieren.

Technologietransfer 'Science2Business'

Das DLR fördert den Technologietransfer von der Spitzenforschung in die Anwendung und stellt im Bereich ‚Science2Business‘ zwei Ausgründungen und zwei Kooperationen mit KMUs vor. Am Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie wurde mit FlexIn Heat eine neuartige Heiztechnologie entwickelt, um Schäden in Faserverbundstrukturen schnell und präzise zu reparieren. Mit der Kombination aus flexibler Heizmatte und mobilem Reparaturkoffer haben sich zwei junge Forscher selbstständig gemacht und die Firma msquare GmbH gegründet. Ein weiteres Beispiel für ein Spin-off aus dem Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie ist die Black Engine Aerospace UG. Diese hat ihren Ursprung in dem beim DLR entwickelten transpirationsgekühlten keramischen Hochleistungs-Raketenantrieb, der Black Engine Technologie.

Für die Prozesskontrolle komplexer Strukturbauteile aus Faserverbundkunststoffen entwickelt das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik in Zusammenarbeit mit der Grasse Zur Ingenieurgesellschaft eine ultraschallbasierte Sensortechnologie zur Detektion des Aushärtefortschritts von Faserverbundstrukturen. In Zusammenarbeit mit der COBES GmbH wird die automatisierte, induktive Verschweißung von kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten untersucht und infolge dessen gemeinsam ein neuartiger Induktor entwickelt.