LEEToRB – Energieeffizientes Leichtbauwerkzeug für die Herstellung von Rotorblättern

Mit Fasern verstärkte Kunststoffe haben bereits ihr Potenzial für leichtgewichtige und umweltfreundlichere Flugzeuge unter Beweis gestellt. Als kosteneffektive Technik für die Herstellung qualitativ hochwertiger Verbundwerkstoffteile sind Harzinjektionsverfahren (Resin Transfer Moulding, RTM) eine echte Verbesserung gegenüber offenen Gussverfahren. Es sind jedoch neue Werkzeugmaterialien erforderlich, um den Herstellungsprozess von Teilen weniger kostspielig und energieintensiv zu machen.

Projektpartner
Qpoint Composite GmbH, Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV), Aitbus Helicopters GmbH

Laufzeit
01.05.2013 – 30.09.2015

Fördergeber
FP7-JTI - Spezifisches Programm „Zusammenarbeit“: Gemeinsame Technologieinitiativen der Europäischen Union

Motivation
Die Verwendung von Stahl und Metallen als Werkzeugmaterial hat zu zahlreichen Herausforderungen hinsichtlich des erforderlichen Energie- und Materialinputs geführt. Da das hergestellte Verbundwerkstoffteil außerdem unterschiedliche Eigenschaften aufweist, führt dies zu einer Verformung des fertigen Teils, mit der finanzielle Ausgaben verbunden sind. Um diese Herausforderungen zu adressieren, wurde im Rahmen des Projekts LEEToRB stattdessen die Verwendung von Kohlenstofffasern als Werkzeugmaterial vorgeschlagen. Eine in Relation zum Gewicht hohe Stärke und Festigkeit im Vergleich zu Metallen waren der Grund dafür, warum Verbundwerkstoffe das Material der Wahl waren. Die geringe thermische Masse führt außerdem zu bedeutenden Verringerungen im Energieverbrauch, die bis zu 50 % reichen.

Im Projekt hergestelltes CFK-Werkzeug mit integierter Heizung in Originalgröße

Erfolgreich hergestelltes Rotorblatt mit Oberflächeneigenschaften entsprechend Luftfahrt-Standards

Vorgehen
Unsere Forscher führten erfolgreich einen Grundsatzbeweis für ihre Ideen durch, indem ein RTM-Werkzeug für die Produktion von Helikopter-Rotorblättern vorgestellt wurde, das auf kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff basiert. Um den Herstellungsprozess weiter zu verbessern und den Energiebedarf zu senken, integrierte das Team eine Heizvorrichtung, die bedarfsweise Wärme abgibt. Es wurde ein Kohlenstofffaserstrang als elektrischer Leiter verwendet und auf Glasgewebe aufgenäht. Bei Anschluss an eine Energiequelle fungierte der Kohlenstofffaserstrang als Widerstandsheizung und die zugeführte Wärme wurde angepasst. Auf der Rückseite der Kohlenstofffaserwerkzeugschale wurden Versteifungsrippen sowie ein Stahlrahmen verwendet, um die durch Kompaktierungs- und Injektionskräfte verursachten Verformungen zu reduzieren. Die Verwendung von faserverstärktem Kunststoff als zentralem Material ermöglicht leichtere Werkzeugsysteme in Kombination mit einem effizienteren Aufheiz- und Abkühlvorgang. Die neu entwickelten Prototypen ermöglichen von der Werkzeugherstellung bis zur Rotorblattproduktion substanzielle Einsparungen im Hinblick auf die Energiezuführung.

Publikationsliste
Weiland, Jakob Sylvester: Thermal Design of Resistively Heated Tools for Composite Manufacturing. Dissertation, 2017
Weiland, J.; Hubert, P.; Hinterhölzl, R.: Thermal dimensioning of manufacturing moulds with multiple resistively heated zones for composite processing. Journal of Composite Materials, 2017
Kammerhofer, P; Zaremba, S.; Drechsler, K.: Investigation of thermal ageing of advanced CFRP tooling laminate by gas permeability. ECCM17 - 17th European Conference on Composite Materials, 2016
Weiland, J.; Hartmann, M.; Hinterhölzl, R.: Cure simulation with resistively in-situ heated CFRP molds: implementation and validation. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015
Weiland, J.; Hartmann, M.; Hinterhölzl, R.: Characterization and numerical investigation of an RTM cure process with CFRP molds and independent heat patches. ICCM-20 - 20th International Conference on Composite Materials, 2015
Kammerhofer, P.; Zaremba, S.; Drechsler, K.: Investigation on the mechanical robustness of CFRP molds. ICCM-20 - 20th International Conference on Composite Materials, 2015

Danksagung
Dieses Projekt wurde im Rahmen von FP7-JTI - Spezifisches Programm „Zusammenarbeit“: Gemeinsame Technologieinitiativen der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 325936 finanziert (“Lightweight, Energy-Efficient Tooling for the Manufacturing of Rotor Blades”). Diese Veröffentlichung spiegelt nur die Ansichten des Autors wieder und die Europäische Union haftet nicht für jegliche Verwendung die darin enthaltenen Informationen.

Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Kalle Kind; Dr.-Ing. Swen Zaremba

Abschlussbericht
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