Fertigung kraftstoffsparender Flugzeugstrukturen

Steigende Umweltanforderungen bei gleichzeitigem Wettbewerbs- und Kostendruck verlangen angesichts des zunehmenden Luftverkehrs nach technologischen Durchbrüchen beispielsweise bei der Kraftstoffeffizienz des Fliegens. Ein aerodynamischer Ansatz ist die sog. Hybrid Laminar Flow Control (kurz. HLFC) Technik. Diese zielt auf die Verringerung des Luftreibungswiderstandes durch die Vergrößerung des Bereichs der laminaren Strömung um die Profile von Flügeln und Leitwerken ab.

Hierzu müssen bisherige Bauweisen an den jeweiligen Leading Edges (Profilvorderkanten von Flügeln und Leitwerken) durch neuartige, sog. HLFC‑Strukturen ersetzt werden. Diese Strukturen bestehen aus einer perforierten Außenhaut (mit einige Mio. Bohrungen pro m2 bei ca. 50 µm Bohrungsdurchmesser) mit einer entsprechenden Aussteifung, die zugleich druckdichte Kammern unterschiedlicher Größe bildet. Diese HLFC-Struktur ermöglicht dann die aktive Absaugung der Grenzschicht durch Perforation und Kammern, so dass der Bereich laminarer Strömung vergrößert und damit der Luftreibungswiderstand sowie der Kraftstoffverbrauch verringert werden.

Die aerodynamischen Zusammenhänge sind hierbei prinzipiell bekannt; die praktische Erprobung bei aktuellen Flugzeugtypen steht jedoch noch aus. Auch standen zu Projektbeginn keine geeigneten Herstellungsverfahren zur Verfügung.

Aufgabe des BIAS war daher die Entwicklung von insgesamt drei lasergestützten Fertigungsprozessen sowie die Charakterisierung der Maß- und Formtreue der HLFC‑Strukturen, an die prinzipbedingt sehr hohe Anforderungen zu stellen sind.

Bei den zu entwickelnden Fertigungsprozessen handelt es sich um das großflächige Laserstrahlmikroperforieren von Blechen mit Abmessungen von bis zu 2 x 5 m, das Laserstrahlschweißen von bis zu 4 m langen Stringern im T‑Stoß und das Laserstrahlrichten des schweißbedingten Winkelverzugs.

Das Laserstrahlmikroperforieren erfolgte nach dem Prinzip des Perkussionsbohrens am ebenen Blech mit ns-Pulslaser mit bis zu 450 Bohrungen pro Sekunde, Bild 1a. Die Herausforderung lag in der Ermittlung von Prozessparametern, die trotz höchster Produktivität zu einer vollständig gratfreien Außenseite des Hautblechs führen. Bei der Entwicklung des Prozessfensters für das Laserstrahlschweißen war besonders darauf zu achten, Schweißparameter zu ermitteln, die einerseits eine vollständige Anbindung des Stringerquerschnitts an das Hautblech sicherstellen und andererseits die Außenseite des Hautbleches nicht beschädigen, siehe Bild 1b. Unweigerlich führt das Schweißen jedoch zu einem definierten Winkelverzug entlang der Schweißnaht, der mittels des Laserstrahlrichtens als dritten entwickelten Fertigungsprozess wieder nahezu vollständig beseitigt werden kann. Schließlich war nach jedem Fertigungsschritt die Maß- und Formtreue mittel Streifenprojektion zu dokumentieren, wobei hohe Präzision auf großen Flächen erforderlich war. Mit den entwickelten laserbasierten Technologien war das BIAS zunächst maßgeblich am Bau mehrerer Prototypen für Untersuchungen im Windkanal, für den sog. Vogelschlagversuch (Bird Strike Test) und für den Flugversuch beteiligt, siehe Bild 1c. Bei erfolgreichem Abschluss der aerodynamischen Untersuchungen bei den Projektpartnern ist perspektivisch davon auszugehen, dass die am BIAS entwickelten Fertigungstechnologien auch Einzug in die Serienfertigung von HLFC-Strukturen finden werden.

Bild 1a
Bild 1a
Bild 1b
Bild 1b
Bild 1c
Bild 1c