Verbundwerkstoffe W sind in der Flugzeugindustrie weit verbreitet und haben es Ingenieuren ermöglicht, Hindernisse zu überwinden, die bei der individuellen Verwendung der Werkstoffe aufgetreten sind. Die konstituierenden Materialien behalten ihre Identität in den Verbundstoffen und lösen sich nicht auf oder verschmelzen auf andere Weise vollständig miteinander. Zusammen bilden die Materialien ein „Hybrid“-Material mit verbesserten strukturellen Eigenschaften.
Die Entwicklung von leichten, hochtemperaturbeständigen Verbundwerkstoffen wird es ermöglichen, die nächste Generation von leistungsstarken, wirtschaftlichen Flugzeugdesigns zu verwirklichen. Die Verwendung solcher Materialien wird den Treibstoffverbrauch reduzieren, die Effizienz verbessern und die direkten Betriebskosten von Flugzeugen reduzieren.
Verbundmaterialien können in verschiedene Formen gebracht werden und, falls gewünscht, können die Fasern eng gewickelt werden, um die Festigkeit zu erhöhen. Ein nützliches Merkmal von Verbundwerkstoffen ist, dass sie geschichtet werden können, wobei die Fasern in jeder Schicht in eine andere Richtung verlaufen. Dies ermöglicht es einem Ingenieur, Strukturen mit einzigartigen Eigenschaften zu entwerfen. Beispielsweise kann eine Struktur so konstruiert werden, dass sie sich in eine Richtung biegt, aber nicht in die andere. [2]
Inhalt
Synthese grundlegender Verbundwerkstoffe
Bei einem Basisverbund fungiert ein Material als tragende Matrix, während ein anderes Material auf diesem Grundgerüst aufbaut und das gesamte Material verstärkt. Die Bildung des Materials kann ein teurer und komplexer Prozess sein. Im Wesentlichen wird eine Grundmaterialmatrix unter hoher Temperatur und hohem Druck in einer Form ausgelegt. Dann wird ein Epoxid oder Harz über das Basismaterial gegossen, wodurch ein starkes Material entsteht, wenn das Verbundmaterial abgekühlt wird. Der Verbundstoff kann auch durch Einbetten von Fasern eines Sekundärmaterials in die Grundmatrix hergestellt werden.
Verbundwerkstoffe haben eine gute Zugfestigkeit und Druckfestigkeit, wodurch sie für die Verwendung in der Herstellung von Flugzeugteilen geeignet sind. Die Zugfestigkeit des Materials kommt von seiner faserigen Natur. Wenn eine Zugkraft ausgeübt wird, richten sich die Fasern innerhalb des Verbundstoffs mit der Richtung der ausgeübten Kraft aus, was seine Zugfestigkeit ergibt. Die gute Druckfestigkeit ist auf die Haft- und Steifigkeitseigenschaften des Grundmatrixsystems zurückzuführen. Es ist die Aufgabe des Harzes, die Fasern als gerade Säulen zu halten und zu verhindern, dass sie sich verziehen.
Luftfahrt und Verbundwerkstoffe
Verbundwerkstoffe sind für die Luftfahrtindustrie wichtig, da sie eine mit metallischen Legierungen vergleichbare strukturelle Festigkeit bieten, jedoch ein geringeres Gewicht aufweisen. Dies führt zu einer verbesserten Treibstoffeffizienz und Leistung eines Flugzeugs. [3] [4]
Die Rolle von Verbundwerkstoffen in der Luftfahrtindustrie
Glasfaser ist das am weitesten verbreitete Verbundmaterial und besteht aus Glasfasern, die in eine Harzmatrix eingebettet sind. Fiberglas wurde erstmals in den 1950er Jahren in großem Umfang für Boote und Autos verwendet. Glasfaser wurde erstmals in den 1950er Jahren im Passagierflugzeug Boeing 707 verwendet, wo es etwa zwei Prozent der Struktur ausmachte. Jede Generation neuer Flugzeuge, die von Boeing gebaut wurden, hatte einen erhöhten Anteil an Verbundwerkstoffen. die höchste war 50 % Composite-Nutzung im 787 Dreamliner .
Der Boeing 787 Dreamliner wird das erste Verkehrsflugzeug sein, bei dem wichtige Strukturelemente aus Verbundwerkstoffen und nicht aus Aluminiumlegierungen bestehen. [1] In diesem Flugzeug wird es eine Verschiebung weg von archaischen Glasfaser-Verbundwerkstoffen hin zu fortschrittlicheren Kohlenstofflaminat- und Kohlenstoff-Sandwich-Verbundwerkstoffen geben. Beim Flügelkasten des Dreamliners sind Probleme aufgetreten, die auf eine unzureichende Steifheit der zum Bau des Teils verwendeten Verbundmaterialien zurückgeführt wurden. [1] Dies hat zu Verzögerungen bei den ursprünglichen Lieferterminen der Flugzeuge geführt. Um diese Probleme zu lösen, versteift Boeing die Flügelkästen, indem neue Halterungen zu bereits gebauten Flügelkästen hinzugefügt werden, während noch zu bauende Flügelkästen modifiziert werden. [1]
Prüfung von Verbundwerkstoffen
Aufgrund der komplexen Natur des Materials hat es sich als schwierig herausgestellt, die Leistung eines aus Verbundwerkstoff hergestellten Teils durch Computersimulation genau zu modellieren. Verbundwerkstoffe werden für zusätzliche Festigkeit oft übereinander geschichtet, aber dies verkompliziert die Testphase vor der Herstellung, da die Schichten in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind, was es schwierig macht, vorherzusagen, wie sie sich beim Test verhalten werden. [1]
Auch mechanische Belastungstests können an den Teilen durchgeführt werden. Diese Tests beginnen mit kleinen Modellen, gehen dann zu immer größeren Teilen der Struktur und schließlich zur vollständigen Struktur über. Die Strukturteile werden in hydraulische Maschinen eingesetzt, die sie biegen und verdrehen, um Belastungen nachzuahmen, die weit über die schlimmsten erwarteten Bedingungen bei echten Flügen hinausgehen.
Faktoren der Verwendung von Verbundwerkstoffen
Die Gewichtsreduzierung ist der größte Vorteil der Verwendung von Verbundwerkstoffen und einer der Schlüsselfaktoren bei der Entscheidung über seine Auswahl. Weitere Vorteile sind seine hohe Korrosionsbeständigkeit und seine Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsschäden. Diese Faktoren tragen dazu bei, die Betriebskosten des Flugzeugs langfristig zu senken und seine Effizienz weiter zu verbessern. Verbundwerkstoffe haben den Vorteil, dass sie unter Verwendung des Formgebungsverfahrens in nahezu jede Form gebracht werden können, aber dies verschärft das ohnehin schon schwierige Modellierungsproblem.
Ein Hauptnachteil bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen besteht darin, dass sie ein relativ neues Material sind und als solches hohe Kosten haben. Die hohen Kosten werden auch dem arbeitsintensiven und oft komplexen Herstellungsverfahren zugeschrieben. Verbundwerkstoffe sind schwer auf Fehler zu untersuchen, während einige von ihnen Feuchtigkeit absorbieren.
Aluminium hingegen ist trotz seines höheren Gewichts einfach herzustellen und zu reparieren. Es kann verbeult oder durchstochen werden und trotzdem zusammenhalten. Composites sind nicht so; Wenn sie beschädigt sind, müssen sie sofort repariert werden, was schwierig und teuer ist.
Kraftstoffeinsparungen durch reduziertes Gewicht
Der Treibstoffverbrauch hängt unter anderem von mehreren Variablen ab, darunter: Trockengewicht des Flugzeugs, Nutzlastgewicht, Alter des Flugzeugs, Qualität des Treibstoffs, Fluggeschwindigkeit, Wetter. Das Gewicht von Flugzeugbauteilen aus Verbundwerkstoffen wird um ca. 20 % reduziert, wie beispielsweise beim 787 Dreamliner. [4]
Eine Beispielberechnung der gesamten Treibstoffeinsparung bei einer Reduzierung des Leergewichts um 20 % wird unten für ein Airbus A340-300-Flugzeug durchgeführt.
Erste Stichprobenwerte für diese Fallstudie wurden von einer externen Quelle bezogen. [5]
Gegeben:
- Betriebsleergewicht (OEW): 129.300 kg
- Maximales Zero-Fuel-Gewicht (MZFW): 178.000 kg
- Maximales Startgewicht (MTOW): 275.000 kg
- max. Reichweite bei max. Gewicht: 10.458 km
Andere Größen können aus den oben angegebenen Zahlen berechnet werden:
- Maximales Frachtgewicht = MZFW - OEW = 48.700 kg
- Maximales Kraftstoffgewicht = MTOW - MZFW = 97.000 kg
So können wir den Kraftstoffverbrauch in kg/km basierend auf dem maximalen Kraftstoffgewicht und der maximalen Reichweite weiter berechnen = 97.000 kg/10.458 km = 9,275 kg/km
Es folgt die Berechnung für die erwartete Kraftstoffeinsparung bei einer Gewichtsreduzierung von 20 %, die den OEW-Wert nur um 20 % reduziert:
- OEW (neu) = 129.300 kg * 0,8 = 103.440 kg, was einer Gewichtsersparnis von 25.860 kg entspricht.
Unter der Annahme, dass Fracht- und Treibstoffgewicht konstant bleiben:
- MZFW (neu) = MZFW - 25.680 kg = 152.320 kg
- MTOW (neu) = MTOW - 25.680 kg = 249.320 kg
Die 97.000 kg Kraftstoffmasse müssen mit einem reduzierten MTOW fertig werden und haben daher eine größere Reichweite, da das maximale Gewicht und die maximale Reichweite umgekehrt proportionale Größen sind.
Verwenden einfacher Verhältnisse, um den neuen Bereich zu berechnen:
249,320kG275,000kG=10,458kMXkM{\displaystyle {\frac {249.320kg}{275.000kg}}={\frac {10.458km}{Xkm}}}
Das Auflösen nach X ergibt einen neuen Bereich von:
- X = 11.535,18 km
Daraus ergibt sich ein neuer Wert für den Kraftstoffverbrauch bei reduziertem Gewicht = 97.000kg/11.535,18km = 8,409kg/km
Zum Vergleich: Auf einer Strecke von 10.000 km ergibt sich eine ungefähre Kraftstoffeinsparung von 8.660 kg bei einer Reduzierung des Leergewichts um 20 %.
Umweltbelastung
Es zeichnet sich eine deutlichere Verschiebung in Richtung Green Engineering ab . Unsere Umwelt wird von der heutigen Gesellschaft verstärkt bedacht und beachtet. Dies gilt auch für die Herstellung von Verbundwerkstoffen.
Wie bereits erwähnt, haben Verbundwerkstoffe ein geringeres Gewicht und ähnliche Festigkeitswerte wie schwerere Materialien. Wenn der leichtere Verbundwerkstoff transportiert oder in einer Transportanwendung verwendet wird, gibt es eine geringere Umweltbelastung im Vergleich zu den schwereren Alternativen. Verbundwerkstoffe sind auch korrosionsbeständiger als Materialien auf Metallbasis, was bedeutet, dass die Teile länger halten. [7] Diese Faktoren machen Verbundwerkstoffe aus ökologischer Sicht zu guten alternativen Materialien.
Herkömmlich hergestellte Verbundmaterialien werden aus erdölbasierten Fasern und Harzen hergestellt und sind von Natur aus nicht biologisch abbaubar. [8] Dies stellt ein erhebliches Problem dar, da die meisten Verbundwerkstoffe nach Ablauf des Lebenszyklus eines Verbundwerkstoffs auf einer Deponie landen. [8] Es werden umfangreiche Forschungsarbeiten zu biologisch abbaubaren Verbundwerkstoffen durchgeführt, die aus Naturfasern hergestellt werden. [9] Die Entdeckung von biologisch abbaubaren Verbundwerkstoffen, die leicht in großem Maßstab hergestellt werden können und ähnliche Eigenschaften wie herkömmliche Verbundwerkstoffe aufweisen, wird mehrere Industrien revolutionieren, einschließlich der Luftfahrtindustrie.
Eine alternative Möglichkeit zur Unterstützung der Umweltbemühungen wäre das Recycling gebrauchter Teile aus ausgemusterten Flugzeugen. Das „Unengineering“ eines Flugzeugs ist ein komplexer und kostspieliger Prozess, kann Unternehmen jedoch aufgrund der hohen Kosten für den Kauf von Teilen aus erster Hand Geld sparen. [6]
Zukünftige Verbundwerkstoffe
Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix
Bei der National Aeronautics and Space Administration (NASA) werden große Anstrengungen unternommen, um leichte Hochtemperatur-Verbundwerkstoffe für den Einsatz in Flugzeugteilen zu entwickeln. Basierend auf vorläufigen Berechnungen werden für die Turbineneinlässe eines konzeptionellen Triebwerks Temperaturen von bis zu 1650 °C erwartet. [3] Damit Materialien solchen Temperaturen widerstehen können, ist die Verwendung von Ceramic Matrix Composites (CMCs) erforderlich. Die Verwendung von CMCs in fortschrittlichen Motoren ermöglicht auch eine Erhöhung der Temperatur, bei der der Motor betrieben werden kann, was zu einer erhöhten Ausbeute führt. [10] Obwohl CMCs vielversprechende Strukturmaterialien sind, sind ihre Anwendungen aufgrund des Mangels an geeigneten Verstärkungsmaterialien, Verarbeitungsschwierigkeiten, Lebensdauer und Kosten begrenzt.
Spinnenseidenfasern
Spinnenseide ist ein weiteres vielversprechendes Material für die Verwendung von Verbundmaterialien. Spinnenseide weist eine hohe Duktilität auf, wodurch eine Faser um bis zu 140 % ihrer normalen Länge gedehnt werden kann. [11] Spinnenseide behält auch bei Temperaturen von bis zu -40 °C ihre Festigkeit. [11]Diese Eigenschaften prädestinieren Spinnenseide als Fasermaterial zur Herstellung von duktilen Verbundwerkstoffen, die auch bei anormalen Temperaturen ihre Festigkeit behalten. Duktile Verbundwerkstoffe werden für ein Flugzeug in Teilen vorteilhaft sein, die veränderlichen Belastungen ausgesetzt sind, wie z. B. der Verbindung eines Flügels mit dem Hauptrumpf. Die erhöhte Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität eines solchen Verbundstoffs ermöglicht es, dass größere Spannungen auf das Teil oder die Verbindung ausgeübt werden, bevor ein katastrophales Versagen auftritt. Auf synthetischer Spinnenseide basierende Verbundstoffe haben auch den Vorteil, dass ihre Fasern biologisch abbaubar sind.
Es wurden viele erfolglose Versuche unternommen, Spinnenseide im Labor zu reproduzieren, aber eine perfekte Resynthese wurde noch nicht erreicht. [12]
Hybrid-Verbundstahlbleche
Ein weiteres vielversprechendes Material kann Edelstahl sein, der von Verbundwerkstoffen und Nanontech-Fasern und Sperrholz inspiriert ist. Die Stahlbleche bestehen aus dem gleichen Material und können genauso gehandhabt und bearbeitet werden wie herkömmlicher Stahl. Ist aber bei gleicher Stärke um einige Prozent leichter. Dies ist besonders wertvoll für den Fahrzeugbau. Das zum Patent angemeldete schwedische Unternehmen Lamera ist ein Spin-off aus der Forschung von Volvo Industries.
Fazit
Aufgrund ihres höheren Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses haben Verbundwerkstoffe einen Vorteil gegenüber herkömmlichen metallischen Werkstoffen; obwohl es derzeit teuer ist, Verbundwerkstoffe herzustellen. Bis Techniken eingeführt werden, um die anfänglichen Implementierungskosten zu reduzieren und das Problem der nicht biologischen Abbaubarkeit der derzeitigen Verbundwerkstoffe anzugehen, wird dieses relativ neue Material herkömmliche Metalllegierungen nicht vollständig ersetzen können.
Referenzen
- ↑Hochspringen zu:1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Surface Modeling for Composite Materials – SIAG GD – Abgerufen unter http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ Werkstoffe von A bis Z – Verbundwerkstoffe: Eine grundlegende Einführung – Abgerufen unter http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑Hochspringen zu:3.0 3.1 INI International – Key to Metals – Abrufbar unter http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Hochspringen zu:4.0 4.1 Boeings 787 Dreamliner hat ein zusammengesetztes Problem – Zimbio – Abgerufen unter http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ Boeing+787+Dreamliner+Composite+Problem
- ↑ Peeters, PM et al. - Treibstoffeffizienz von Verkehrsflugzeugen (S. 16) - Abrufbar unter http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Hochspringen zu:6.0 6.1 National Geographic Channel – Man Made: Plane – Abgerufen von http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Eine Studie über die Umweltauswirkungen von Verbundwerkstoffen – Abgerufen unter http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Hochspringen zu:8.0 8.1 Textile Insight – Grüne Textilverbundstoffe – Abrufbar unter http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ Werkstoffe von A bis Z – Hochleistungsverbundwerkstoffe aus biologisch abbaubaren, naturfaserverstärkten Kunststoffen – Abrufbar unter http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Universite Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - Abgerufen unter http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Hochspringen zu:11.0 11.1 Department of Chemistry – University of Bristol – Abgerufen unter http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science – Spinnen machen goldene Seide – Abgerufen unter http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/