HELIOS

Problemstellung

Um die ambitionierten Klimaziele der Luftfahrt zu erreichen, müssen zukünftige Flugzeuggenerationen deutlich leichter gebaut werden. Herkömmliche Bauweisen mit genieteten Verbindungen schöpfen das Leichtbaupotenzial von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) nicht vollständig aus. Für die angestrebten hohen Produktionsraten fehlen durchgängige, industrialisierte Prozessketten für nietfreie Fügetechnologien. Zudem erfordern innovative und automatisierte Bauweisen, neue validierte Auslegungs- und Nachweisverfahren, um die Zulassung und Sicherheit dieser fortschrittlichen Strukturen zu gewährleisten.

Projektziel

Das Gesamtvorhaben »HELIOS« zielt auf die Entwicklung und Validierung neuartiger Konstruktionsprinzipien und Technologien für gewichtsoptimierte und hochratenfähige CFK-Rumpfschalen ab. Kern des Projekts ist die Konzeption einer Rumpfschalen-Architektur, die auf nietfreie Fügetechnologien wie dem Kleben von Längsnähten und dem hybriden Verschweißen von Spant-Haut-Verbindungen basiert. Bis zum Ende der Projektlaufzeit sollen die technologische Machbarkeit nachgewiesen und die Prozessketten hinsichtlich ihres Leichtbaupotenzials, ihrer Hochratenfähigkeit und Kosteneffizienz bewertet werden.

Durchführung

Die Arbeiten im Verbund sind in fünf Hauptarbeitspakete gegliedert: Anforderungen und Konstruktionsprinzipien, ganzheitliche Konstruktions- und Fertigungslösungen, ganzheitliche Montage- und Integrationslösungen, Nachweismethodik und generische Technologien sowie Validierung und Bewertung. Airbus Operations GmbH ist der Verbundführer dieses Vorhabens. Alle Verbundpartner aus Industrie und Forschung entwickeln Schlüsseltechnologien, darunter innovative nietfreie Fügeverfahren, angepasste Auslegungs- und Nachweismethoden sowie automatisierte Verfahren zur Qualitätssicherung. Die Ergebnisse werden durch Strukturtests und zerstörungsfreie Prüfungen an Validatoren erprobt und bewertet.

Teilvorhaben am Fraunhofer IWS und Fraunhofer IFAM

Im Verbundprojekt HELIOS verfolgen das Fraunhofer IWS und Fraunhofer IFAM 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. Zu den Auslegungs- und Nachweisverfahren für die neuen Bauweisen trägt das Fraunhofer IFAM ein Modul zur Simulation der Schadenstoleranz der Klebverbindungen bei.

Es erfolgt die spektrale Modifizierung von IR-Strahlern mittels DLIP-Verfahren zur reproduzierbaren Klebstoffaushärtung basierend auf Wärmekonvektion sowie Entwicklung einer integrierten Toolinglösung zur Temperaturerfassung und -regelung sowie Realisierung eines definierten Anpressdrucks mit definierter Einstellung des Klebspalts sowie Aushärtungsprofils. 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.

Um Lackierprozesse auf CFK-Oberflächen schneller und effizienter zu machen, werden Oberflächendefekte inline analysiert und identifiziert, sowie lokal vorbehandelt und kompensiert werden. So sollen zeit- und kostenintensive Nacharbeiten entfallen und die Hochratenfähigkeit erreicht werden. Begleitend werden Messmethoden in Kombination mit automatisierten Auswertungsmethoden ertüchtigt, um die Qualität von vorbehandelten Oberflächen für Klebprozesse zu überprüfen.

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.