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Dienstag, 12. Dezember 2017

Luftfahrt

Zerfasert

Von Wolfgang Heumer | 15. Juni 2017 | Ausgabe 24

Instandhaltungstechniker haben viel Erfahrung im zuverlässigen und kostengünstigen Umgang mit Metall. Bei faserverstärkten Kunststoffen gibt es noch Nachholbedarf.

Carbon BU
Foto: Sonja Brüggemann/Lufthansa Technik AG

Forschungsgegenstand: Das Bild zeigt einen Roboter, der Schäden im CFK-Rumpf erkennt und das Laminat so weit abträgt, dass die Verbundfaserstruktur durch Schäften wieder aufgebaut werden kann.

In der Hektik auf dem Flughafen touchiert der Gepäckkarrenfahrer mit seinem Vehikel den Flugzeugrumpf. Solche Bodenkollisionen sind in der Luftfahrt fast alltäglich; nach Schätzung des Internationalen Lufttransportverbands Iata entstehen auf diese Weise pro Jahr Schäden in Höhe von Milliarden Dollars.

Bei herkömmlichen Flugzeugen wäre die Kollision an einer Beule in der „Aluminiumhaut“ erkennbar geworden. Doch bei Flugzeugrümpfen aus Carbonfaserverbundstoffen (CFK) – zum Beispiel beim Boeing-Dreamliner 787 oder beim Airbus A350 – „können Beschädigungen von außen nicht sichtbar sein“, sagt Hendrik Schmutzler, Innovation-Engineer für Strukturkomponenten bei Lufthansa Technik in Hamburg.

Die Sicherheit gefährdet das nicht, sagt Schmutzler. „Verbundfaserstrukturen sind so ausgelegt, dass nicht sichtbare Schäden auch nicht kritisch werden können“, betont der Ingenieur. Aber: „Der Aufwand, solche Schäden zu entdecken und zu reparieren, ist größer als bei Metallstrukturen.“

Glas- oder Carbonfaserverbundstoffe sind in der Luftfahrt bereits seit mehr als 30 Jahren im Einsatz. „Bislang wurden sie für Sekundärstrukuren verwendet, die im Falle eines Versagens nicht zu einem katastrophalen Absturz führen“, erläutert Schmutzler. Doch seitdem Boeing und Airbus auch Rumpf- und Flügelstrukturen und damit fast die ganze Außenfläche eines Flugzeugs aus den leichten Materialien fertigen, ist auch die Instandsetzung in den Fokus von Anwendern wie bei Lufthansa Technik und Wissenschaftlern wie im Fraunhofer-Institut für Angewandte Materialforschung Ifam gerückt. Dabei konzentriert sich das Interesse zunächst auf die Reparatur von Schäden, die von Stößen und Schlägen herrühren. Dem Thema Ermüdungsverhalten, das bei Faserverbundstoffen deutlich komplexer ist als bei Metall, „begegnet man, indem man die Strukturen so dimensioniert, dass Ermüdung nicht kritisch ist“, weiß Schmutzler.

Was aber tun, wenn der Gepäckwagenfahrer den Rumpf touchiert hat oder der Rumpf beispielsweise durch einen Zusammenstoß mit einem Vogel beschädigt wurde? Dass kleinere Schäden von außen nicht sichtbar sind, liegt an den Eigenschaften der Verbundwerkstoffe, die aus mehreren jeweils 0,125 mm bis 0,3 mm dicken Schichten zusammengesetzt sind.

Durch äußere Einwirkung können diese Schichten delaminieren, was bedeutet, dass die Haftung zwischen einzelnen Schichten aufgelöst wird. Die äußere Schicht formt sich durch ihre Flexibilität in den Ursprungszustand zurück; nach innen wird der Schaden dagegen kegelförmig immer größer. Um solche Beschädigungen zu beseitigen und für eine Klebereparatur vorzubereiten, müssen die Schäden entfernt und die Flächen um sie herum geschäftet werden. Bislang wird das von Hand getan: „Als Mechaniker muss man sehr konzentriert arbeiten und Erfahrung haben“, weiß Schmutzler.

Mit Hochdruck und wissenschaftlicher Unterstützung arbeitet Lufthansa Technik an der Automatisierung dieses Vorgangs – nicht, um die Arbeiter durch Maschinen zu ersetzen, sondern um den Prozess wiederholbar und unabhängig von unkontrollierbaren Einflussfaktoren zu machen. Gemeinsam mit Airbus Defence and Space, iSAM AG, Luratec AG und dem Institut für Flugzeugproduktionstechnik der TU Hamburg-Harburg wurde zum Beispiel ein mobiles roboterbasiertes System zum Schäften von Faserverbundstrukturen entwickelt. Das System tastet mit einem Laserscanner die beschädigte Stelle ab und errechnet aus den Daten die Bahn, die die Frässpindel zur Herstellung der komplexen Geometrie nehmen muss. „Da stecken viele Jahre Entwicklungsarbeit drin“, sagt Schmutzler. Aktuell befindet sich das Verfahren in der Umsetzung für den operativen Einsatz

Während bei klassischen Metallrümpfen herstellerunabhängig genormte Aluminiumlegierungen verwendet werden können, müssen die Instandhaltungsexperten in Hamburg für Faserverbundreparaturen ein umfassendes Kühllager vorhalten: „Jeder Hersteller und jedes Muster hat ein anderes Material“, so Schmutzler.

Für die Reparatur werden die einzelnen Lagen in der Originalfaserrichtung laminiert, wo immer das möglich ist. Um Lufteinschlüsse und Restfeuchtigkeit zu vermeiden, müssen sie anschließend unter Vakuum und bei bestimmten Temperaturen aushärten. Im Herstellungsprozess werden die Bauteile in großen Autoklaven gebacken, also in großen Druckkammern für die thermische Behandlung. Bei der Instandsetzung in Hamburg werden die Reparaturstellen entweder auch im Autoklaven ausgehärtet oder mithilfe von Kunststofffolien vakuumisiert und mit Wärmequellen temperiert. An CFK-Flugzeugrümpfen entfällt die Option, die Reparatur durch einen Autoklaven durchzuführen, sodass ohne zusätzlichen Druck ausgehärtet werden muss.

Wie unter diesen Umständen größere Schäden repariert werden können, ist bislang noch nicht geklärt. Als vor fünf Jahren in einem Boeing-Dreamliner auf dem Londoner Flughafen Heathrow ein Feuer ausbrach und eine mehrere Quadratmeter große Rumpffläche am Heck zerstörte, ging die Fachwelt von einem Totalschaden aus. Wie es Boeing dennoch gelang, das Flugzeug im Schutz einer eigens aufgebauten Zelthalle zu reparieren, ist bis heute ein Geheimnis der amerikanischen Flugzeugbauer. Experten vermuten, dass sie ganze Sektionen austauschten – und dass diese für das Prestige wichtige Reparatur mehr kostete als ein neues Flugzeug.

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