Neue Flugzeug-Generation: Werkstoffforscher aus Geesthacht erforschen Verbindungen im Original-Maßstab
Im Rahmen des europäischen Luftfahrtforschungs-Programm Clean Sky erforschen Fügespezialisten des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) im Forschungsprojekt LAWENDEL das Laserstrahlschweißen einer neuen Aluminium-Lithium-Legierung. Langfristiges Ziel des Clean Sky-Projektes ist es, leichtere und somit umweltfreundlichere Flugzeuge zu bauen.
Neue Technologien machen Flugzeuge leichter und senken somit den Kraftstoffverbrauch. Foto: HZG
Technologien für umweltfreundliche Flugzeuge stehen in Europa hoch im Kurs. Um den Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) zu verringern, setzen die Ingenieure in der Luftfahrtindustrie auf Gewichtseinsparung. Denn je leichter das Flugzeug, desto weniger Kraftstoff wird benötigt und der CO2-Ausstoß wird reduziert.
Gewicht einsparen lässt sich zum Beispiel bei der Montage der Rumpfstrukturen eines Flugzeugs durch Laserstrahlschweißen. Die Technik wird bereits bei der Montage des Airbus A380 eingesetzt. Damit spart man Dichtmasse und Nieten, sodass ein Gewichteinsparungspotenzial von rund zehn bis 20 Prozent erreicht wurde. Im Institut für Werkstoffforschung des HZG werden unter anderem die Fügetechnologien für die nächste Flugzeug-Generation erforscht.
„Wir überprüfen die Schweißnaht einer neu entwickelten Aluminium-Lithium-Legierung“, erklärt der Werkstoffforscher im Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Dr. Nikolai Kashaev. „Dadurch erhalten wir Informationen über die Prozessparameter. Außerdem vergleichen wir das mechanische Verhalten der neuen mit herkömmlichen Aluminiumlegierungen.“ Unter Legierungen versteht man ein Gemisch aus mehreren chemischen Elementen.
Mit den neuen Legierungen könnten, im Vergleich mit den heute eingesetzten Verbindungen, nochmal bis zu zehn Prozent Gewicht eingespart werden. Die Geesthachter Forscher haben dafür die entwickelten Prozesstechnologien für das Schweißen von Leichtbau-Demonstratoren im Original-Maßstab hochskaliert: Sie haben Modellkomponenten angefertigt, an denen sie die Ergebnisse hinsichtlich ihrer Umsetzbarkeit überprüfen.
Dem EU-Projekt LAWENDEL (Laser welding of newly developed Al-Li alloy) stehen 150 000 Euro zur Verfügung. Projektpartner ist die Universität Manchester, die im Projekt das modellbasierte Prozessdesign übernimmt. Das Projekt ist im Januar 2013 gestartet und läuft 20 Monate, bis August 2014.
Clean Sky
Clean Sky ist ein europäisches Luftfahrtforschungs-Programm, in dem neue, bahnbrechende Technologien für saubere und leisere Flugzeuge entwickelt werden. Mithilfe der gemeinsamen Technologieinitiative Clean Sky soll bis 2020 die CO2-Emissionen um 50 Prozent, die Stickoxidemissionen um 80 Prozent und die Lärmbelästigung um ebenfalls 50 Prozent, pro geflogenen Kilometer und Passagier, gesenkt werden. Gleichzeitig soll für die Materialien und Komponenten der Flugzeuge eine Art ökologischer Lebenszyklus eingeführt werden, bei dem Entwicklung, Herstellung, Wartung und Entsorgung/Recycling berücksichtigt werden. Insgesamt stehen der Initiative rund 1,6 Milliarden Euro zur Verfügung. Mehr als 400 Projektteilnehmer aus Wissenschaft und Industrie engagieren sich bei Clean Sky.
Weitere Informationen
Laserschweißen am HZG
Die HZG-Abteilung „Fügen und Bewerten“ befasst sich mit Fragestellungen der Laserstrahl-Schweißprozessentwicklung inklusive Prozesssimulation, der Entwicklung und dem Bau von Leichtbau-Demonstratoren sowie deren Prüfung und Bewertung hinsichtlich ihres Schadenstoleranzverhaltens. Zu diesem Zweck ist 2010 eine Großformat-Laserschweißanlage in Betrieb genommen worden. In der Abteilung forschen 18 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.
Demonstratoren
Zur Bewertung des Ermüdungs- und Bruchverhaltens geschweißter Leichtbaukomponenten müssen die komplexen Belastungsbedingungen sowie die lokalen Eigenschaftsvariationen und Eigenspannungsverteilungen im Schweißnahtbereich berücksichtigt werden. Bei zunehmender Größe der geschweißten Komponenten sind die Kosten für die Herstellung und Prüfung ein wesentlicher Faktor. Zur Minimierung dieser Kosten nimmt die simulationsbasierte Prozessentwicklung eine zunehmende Bedeutung ein. Der Bau eines Demonstrators stellt den abschließenden experimentellen Nachweis der erfolgreichen Entwicklung dar. Ein Demonstrator ist eine Modellkomponente, welches im Rahmen eines Projektes dessen Machbarkeit demonstriert.
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