Der Racer getaufte Hochgeschwindigkeits-Helikopter setzt auf Seitenbauteile aus CFK, die roboterbasiert automatisiert hergesteltl werden. (Bild: Airbus Helicopters)
Beim Rapid and Cost-Effective Rotorcraft, kurz Racer, handelt es sich um einen Hochgeschwindigkeits-Helikopter, der es auf mehr als 400 km/h schafft. Die Decklagen seiner Seitenschalen bestehen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), der Sandwichkern aus Phenolharzwaben. Bislang werden solche großformatigen, in Sandwichbauweise hergestellten Schalen manuell im Handlegeverfahren gefertigt. Das wiederum ist zeitaufwendig und kostspielig. Das Fraunhofer IGCV in Augsburg hat nun zusammen mit Airbus Helicopters ein Fertigungsverfahren entwickelt, das es ermöglicht, die CFK-Schalenbauteile hochautomatisiert herzustellen. Gefördert wird die Entwicklung im Rahmen des Cleansky2-Programms der EU.
Roboter legt die Fasern automatisiert ab
Die automatisiert gefertigten 3,4 x 1,5 m großen Schalensegmente bilden den hinteren rechten und linken Teil der Außenhaut. Sie verbinden den Heckausleger mit dem Cockpit. „Die Schalen wurden auch bislang mit kohlenstofffaserverstärkten Leichtbaumaterialien gefertigt, aber wir haben den Herstellungsprozess weiterentwickelt. Er basiert jetzt auf dem sogenannten Automated Fiber Placement Prozess“, sagt Thomas Zenker, Wissenschaftler am Fraunhofer IGCV. Ein Roboter legt die endlosfaserverstärkten, vorimprägnierten Materialien automatisiert ab. Dabei werden unidirektionale Tapes verwendet, die bessere mechanische Eigenschaften aufweisen und weniger Verschnitt erzeugen als gewebebasierte Kunststoffverbunde. Der Sandwichkern aus Phenolharzwaben trägt zur Steifigkeit des Verbunds bei, die Decklagenfasern sorgen für die Festigkeit. Ein Klebefilm stellt die Krafteinleitung zwischen Kern und Decklagen sicher.
„Bevor das Material ausgehärtet wird, legt der Roboter die Fasern in hoher Qualität in ein Werkzeug ab. Der Roboter folgt dabei einer eigens entwickelten Programmiermethodik. Das Werkzeugkonzept wurde speziell für die Prozesskette entwickelt. Seine Oberfläche definiert die Form, die die Fasern bei der automatisierten Ablage annehmen sollen. Dabei werden die komplexen Geometrien der unterschiedlich geformten Sandwich-Taschen berücksichtigt. Die Tapes werden also genau dort platziert, wo die Struktur des späteren Bauteils es erfordert“, fasst der Zenker den Vorgang zusammen.
Automated Fiber Placement für weniger Verschnitt
Je nach Schichtung und Fasern erreicht ein per Automated Fiber Placement hergestelltes CFK-Bauteil eine höhere Belastbarkeit als ein Stahlelement, während es deutlich weniger wiegt. Durch das eingesparte Material reduziert sich das Gewicht der Schalensegmente um fünf Prozent. Je nach verwendetem Energiemix bei der Produktion kann der ökologische Fußabdruck damit um bis zu 15 % pro Schalensegment verbessert werden.
Darüber hinaus bringt das weiterentwickelte Fertigungsverfahren zusätzliche Vorteile mit sich: So sind Zenker und sein Team in der Lage, die Produktionsabfälle durch den effizienteren Prozess von 45 auf 20 % zu senken. Je nachdem, wie viele Helikopter hergestellt werden, ist durch den automatischen Prozess im Vergleich zur konventionellen Fertigung im Handlegeverfahren außerdem eine Produktionskosten-Einsparung möglich. Bei einer Produktionsrate von 65 Helikoptern pro Jahr liegt diese beispielsweise bei 20 %.