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TechnikReparatur von CFK-Fliegern

Mass­ar­beit erfor­der­lich

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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.