TechnikReparatur von CFK-Fliegern

Massarbeit erforderlich

Lesezeit ca.: 5 Minuten
Hans-Jörg Munke

Hans-Jörg Munke

freier Journalist

Leichtgewichtige Flieger aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) verstärken die Flotten der Airlines zunehmend. Das geringere Gewicht gegenüber den herkömmlich aus Aluminium gefertigten senkt den Kerosinverbrauch. Doch die Reparatur von Bauteilen ist sehr aufwändig. Forscher der TU Hamburg-Harburg haben ein vielversprechendes Verfahren entwickelt.

25. Februar 2015

Lange Jahre waren sie nur die beeindruckend visualisierten Aushängeschilder ihrer Konzerne. Mittlerweile kommen die Kunststoffflieger Boeing 787 und Airbus A350 im Alltag an. Damit stellen sich bei Wartung und Reparatur ganz neue praktische Probleme, die innovative Lösungen fordern.

Höhere Festigkeit und leichter

Ihr Siegeszug hat mehrere Gründe: Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (Carbon-faserverstärkter Kunststoff = CFK) verfügen über eine deutlich höhere Festigkeit und Steifigkeit als Aluminium und sind sehr viel leichter, was eine spürbare Reduzierung des Kerosinverbrauchs und der CO2-Emissionen verspricht. Letzteres war und ist das Hauptargument vieler Fluggesellschaften, sich für die Maschinen der neuen Generation zu entscheiden. „Fast der gesamte Rumpf und die Flügel, die sogenannten Primärstrukturen, bestehen aus CFK. Das sind rund 50 Gewichtsprozent“, sagt Dipl.-Ing. Henrik Schmutzler, MBA, Mitarbeiter im Bereich Innovation and Product Development bei der Lufthansa Technik AG (LHT). Doch mit dem neuen Material hält auch ein völlig anderes Beschädigungsverhalten Einzug in die Luftfahrtbranche.

Kaum sichtbare Schäden

„Bei den herkömmlichen Aluminium-Fliegern kommt es bei Vogelschlag oder einer Kollision mit Bodenfahrzeugen zu Beulen oder Dellen, die man optisch ganz gut erkennen kann“, so Schmutzler. Bei Verbundwerkstoffen gebe es dagegen äußerlich kaum sichtbare Beschädigungen. Da das Material aus zahlreichen Lagen aufgebaut sei, entstünden die schwerwiegenden Probleme im Materialinneren, wo sich die einzelnen Schichten voneinander lösten. Es käme zu einer sogenannten Delamination. Dieser Prozess verlaufe vom Aufschlagpunkt kegelförmig in die CFK-Platten hinein.

Um Schäden zu beseitigen, gibt es aktuell zwei Ansätze. Der Austausch von ganzen Bauteilen, wie es bei kleineren Sekundärstrukturen wie Triebwerksverkleidungen möglich wäre, gehört dabei nicht zur ersten Wahl. „Es ist schließlich einer der Vorteile von CFK, dass man damit große Strukturen integral fertigen kann“, erklärt CFK-Experte Schmutzler. Der Rumpf der Boeing 787 bestehe aus mehreren Rumpftonnen, die nicht einfach ersetzt werden könnten. Der Airbus A350 sei zwar aus Viertelschalen aufgebaut. Aber auch die seien bis zu sechs Meter lang und immens teuer.

Roboter legen „Hand“ an

Hersteller empfehlen eine Reparatur mit Titanplatten, die von außen großräumig über die schadhafte Stelle genietet werden. Aerodynamisch wie ästhetisch nicht gerade ein Gewinn und vor allem nicht werkstoffgerecht, da lasttragende Fasern durch die Nietbohrung durchtrennt werden. Besser, aber bislang nur in Handarbeit bei kleinen Bauteilen zulässig, sind geklebte Reparaturen, bei denen das lädierte Material komplett ersetzt wird. Henrik Schmutzler sieht auch das skeptisch: „Die Reproduzierbarkeit einer solchen Reparatur kann durch die von Hand ausgeführte Ausarbeitung des Schadens nicht gewährleistet werden.“ Denn neben der Entfernung des Materials müsse ja auch noch ein exakt passendes Ersatzstück produziert werden, das die Lücke am Ende vollständig schließt.

Die Ingenieure von Lufthansa Technik haben deshalb gemeinsam mit Entwicklern von Airbus Defence and Space in Kooperation mit dem Institut für Flugzeug-Produktionstechnik IFPT der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) im Rahmen des LuFo Forschungsvorhabens CAIRE (Composite Adaptable Inspection and Repair) ein mobiles System zur Ausarbeitung von Schäden entwickelt. Das roboterbasierte Reparaturverfahren für den mobilen Einsatz an CFK-Materialien kann bis zu ein Quadratmeter große Flächen an Rumpf und Flügeln bearbeiten. Dazu wird es an die defekte Stelle gesetzt, wo es sich dann selbsttätig hält – wenn es sein muss, auch kopfüber.

Reparaturverfahren für mobilen Einsatz

„Zuerst scannt und erfasst die Maschine die Oberfläche“, erklärt Dipl.-Ing. Matthias Höfener, CAIRE-Projektverantwortlicher am IFPT. „Auf dieser Grundlage berechnet der Roboter dann die Form der Schäftung sowie die notwendige Fräsbahn.“ Die Schäftung, also der schräge Anschnitt der jeweiligen Kontaktfläche, ist notwendig, um die Übertragung von Schubkräften zu ermöglichen und damit Festigkeit der Verbindung zu steigern. Die Maschine fräst das beschädigte Material heraus und exportiert die Daten an einen Cutter, der die Reparaturlagen schneidet. Das Einsetzen in die vom Roboter geschäftete 3D-Fläche sowie das Kleben und Aushärten des neuen Teils wird dann anschließend per Hand durchgeführt.

Bei ihrer Entwicklung hatten LHT und Airbus Defence and Space neben technischen Aspekten auch wirtschaftliche im Blick, denn der Markt für diese Reparaturverfahren ist angesichts der Vielzahl von Bestellungen der neuen CFK-Flieger beträchtlich. „Die große Herausforderung lag darin, die diversen Anforderungen zusammenzubringen. Einerseits möchte man sehr genau und exakt arbeiten, andererseits soll das Gerät auch handhabbar bleiben, ein geringes Gewicht haben, leicht an den Flieger anzubringen sein und dort auch sicher halten. Und das alles zu überschaubaren Kosten“, erinnert sich CAIRE-Projektverantwortlicher Höfener.

Test an realen Bauteilen steht bevor

Mittlerweile ist das Ziel erreicht. Der Roboter ist jetzt zwar noch im Demonstratorzustand im Labor des TUHH-Instituts, aber lange muss man bei Lufthansa Technik nicht mehr warten. „Im Frühjahr kommt er zu uns in die Werkstatt, dann können wir endlich an realen Bauteilen testen“, gibt sich Henrik Schmutzler zuversichtlich. Der Plan sei, ab 2016 ein erstes praxistaugliches System im Einsatz zu haben.

Doch nicht nur zur Reparatur setzt man zukünftig auf Roboterunterstützung. Die automatischen Helfer kommen künftig auch bei der schwierigen Detektion von Schäden zum Einsatz. Denn weil CFK-Beschädigungen von außen nur schwer zu sehen sind, braucht es speziell geschulte Mitarbeiter, um sie zuverlässig zu identifizieren. Dann werden sich Krabbelroboter über die betroffenen Sektionen bewegen und diese z.B. per Ultraschall und aktiver Thermographie sehr viel genauer zerstörungsfrei prüfen.

Ergebnisqualität sichern

Die CAIRE-Technologie ist allerdings nur der erste Schritt auf dem Weg, den Ansprüchen der Zulassungsbehörden an CFK-Reparaturen gerecht zu werden. „Wir arbeiten aktuell mit diversen Partnern aus Industrie und Forschung daran, ein zulassbares Klebereparaturverfahren zu entwickeln. Der CAIRE-Roboter wird ein Teil der Prozesskette sein, die am Ende komplett reproduzierbar ist“, so Schmutzler. Man müsse Kunden und Herstellern immer dieselbe Ergebnisqualität garantieren können. Das werde bis zum Jahr 2020 dauern. Bis dahin könne es nur in eingeschränktem Maße Klebereparaturen in den Primärstrukturen geben.

Dann aber könnten mobile Einsatzteams selbst „on wing" große Schadstellen am Rumpf oder an den Tragflächen diagnostizieren und zeitnah reparieren. So werden Reparaturen möglich sein, die bis vor kurzem kaum denkbar waren, und die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe können ihr ganzes Potenzial ausspielen.