Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

HELIOS

HELIOS

Hochratenfähige, effiziente Leichtbau-Rumpfschalen, neuartige Designprinzipien und Technologiebausteine, integral optimiert und validiert für schadenstolerante, nietfreie, strukturelle Fügetechnologien

Widerstandserwärmtes, DLIP-strukturiertes Wolframblech.
© Fraunhofer IWS
Widerstandserwärmtes, DLIP-strukturiertes Wolframblech.
Messung der Emission mittels Thermographiekamera. Die dunkelroten Bereiche wurden lasertexturiert und strahlen im Nah-Infrarotbereich stärker ab.
© Fraunhofer IWS
Messung der Emission mittels Thermographiekamera. Die dunkelroten Bereiche wurden lasertexturiert und strahlen im Nah-Infrarotbereich stärker ab.

Motivation

Konzepte für zukünftige Entwicklungen bei Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge müssen massenreduziert, hochratenfähiger und kosteneffizienter sein, als es aktuelle Modelle sind um den Marktanforderungen gerecht werden zu können. Innovative Faserverbundtechnologien hinsichtlich neuer Materialien, Technologien, Bauweisen und daran angepassten neuen Auslegungsmethoden können hier zu einem signifikanten Gewichtseinsparungspotential beitragen. Komplementäre Projekte untersuchen hauptsächlich Bauweisen, die auf Technologien basieren, deren Konzepte heute bereits als grundsätzlich technisch machbar und als im Labormaßstab funktionsfähig nachgewiesen sind.

Im Verbundprojekt »HELIOS« verfolgen das Fraunhofer IFAM und Fraunhofer IWS gemeinsam mit neun weiteren Partnern die Zielstellung, neuartige Konstruktionsprinzipien basierend auf innovativen Fertigungstechnologien, daran angepasste Auslegungsmethoden und synergetisch wirkende Querschnittstechnologien zu entwickeln sowie zu validieren, welche derzeit eine noch sehr viel geringere technologische Reife aufweisen.


Ziele und Vorgehen

HELIOS verfolgt folgende wissenschaftlich-technische Arbeitsziele:

  1. Im Rahmen des Projekts sollen für den betrachteten Projektperimeter (typischer Rumpf) Gewichtseinsparungen von bis zu 1610 kg gegenüber einer aktuellen Forschungsreferenz erzielt werden, welche einen Beitrag zur Verringerung der CO2-äquivalenten Emissionen leisten.
  2. Außerdem werden hochratenfähige und kosteneffiziente Fertigungsprozesse entwickelt bzw. weiterentwickelt und optimiert, um eine wirtschaftliche Produktionsrate von > 70 Flugzeugen pro Monat zu erreichen. Durch Extrapolation von Daten aus der Demonstration im Labormaßstab sollen deren Hochratenfähigkeit und Kosteneffizienz bewertet werden.
  3. Des Weiteren liegt ein Schwerpunkt des Projektes in der Erhöhung der Energieeffizienz und Verringerung des Ressourcenverbrauchs in den Fertigungs- und Montageprozessen für CFK-Rumpfstrukturen. So werden Produktionsabfälle durch den Wegfall von Nietprozessen (z. B. Collars aus Titan, Energie und verschleißende Werkzeuge für Bohren und Nietsetzen) verringert sowie durch die entwickelte Lösung für eine hochratenfähige Oberflächenbewertung eine komplette Prüflackschicht mit der damit verbundenen Energie und dem Materialverbrauch eliminiert.

Fraunhofer IFAM und Fraunhofer IWS verfolgen die Entwicklungen von inline Vorbehandlungs- und in-situ-QS-Verfahren für die Reinigung/Aktivierung von CFK-Oberflächen sowie einer automatisierten Prozesskette zum sicheren, hochratenfähigen, pastösen Kleben einer TS-CFK-Rumpf-Längsnaht vom Konzept bis zum testfähigen Bauteil als Alternative zum Nieten.

Hierzu erfolgt die spektrale Modifizierung von IR-Strahlern mittels DLIP-Verfahren wodurch die Effizienz der Wärmeabstrahlung deutlich erhöht wird. Davon profitiert die reproduzierbare Klebstoffaushärtung basierend auf Wärmestrahlung. Ergänzend wird eine integrierte Toolinglösung zur Temperaturerfassung und -regelung sowie Realisierung eines definierten Anpressdrucks mit definierter Einstellung des Klebspalts sowie Aushärtungsprofils entwickelt. Weiterführend erfolgen Machbarkeitsuntersuchungen zur Übertragbarkeit auf faserverstärkte Kunststoffe (FVK) auf Basis hybridisierter Thermoplast-Oberflächen, welche vollkommen neuartige Fertigungsrouten bei der Herstellung sowohl bestehender als auch neuer, disruptiver Luftfahrtkomponenten ermöglichen. Im Ergebnis soll ein Ausschnitt einer realen Halbschalenstruktur automatisiert gefügt werden.


Innovationen und Perspektiven

Das Projekt HELIOS zielt darauf ab, durch innovative Faserverbundtechnologien und neue Fertigungsmethoden signifikante Gewichtseinsparungen in Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen zu realisieren. Die Entwicklung hochratefähiger Produktionsprozesse sowie die Reduktion von Produktionsabfällen und des Ressourcenverbrauchs tragen nicht nur zur Kosteneffizienz bei, sondern auch zur Reduktion von CO2-Emissionen. Perspektivisch eröffnet dieses Vorgehen neue Möglichkeiten für umweltfreundliche Flugzeugbauteile und bietet insbesondere durch die Integration innovativer In-situ-Qualitätsstandards und automatisierter Klebeprozesse das Potential, die Herstellungsmethoden in der Luftfahrtindustrie zu revolutionieren.