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Optimierung von Schweissverbindungen für Faserverbund-Flugzeugstrukturen mit Thermoplastmatrix
Dekarbonisierung und Nachhaltigkeit sind die grössten Herausforderungen der Luftfahrtindustrie. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Weiterentwicklung der Schweissverbindung von voll-thermoplastischen neuartigen CFK-AM Bauteilen. Dies ermöglicht das Recycling und die Materialeffizienz von Flugzeugen
Dekarbonisierung und Nachhaltigkeit sind die grössten Herausforderungen der Luftfahrtindustrie. Dabei spielen zwei Punkte eine grundlegende Rolle: 1) die Reduktion des Treibstoffverbrauchs während der Nutzung eines Flugzeuges und 2) die Wiederverwertung von Materialien nach Ausserbetriebnahme.
Eine Möglichkeit den Treibstoffverbrauch zu reduzieren ist, nebst effizienteren Triebwerken, der Leichtbau. Dies wird in der Luftfahrtindustrie vor allem durch die Verwendung von neuen Materialien wie kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) realisiert. In neueren Flugzeugen wie dem Airbus A350 oder der Boeing 787 bestehen die Flügel aus einer CFK Haut und Aluminium Rippen, was in der Industrie als «Black Aluminum Design» bezeichnet wird. Diese Bauweise hat im Vergleich zu klassischen Aluminiumstrukturen leichtere und effizientere Strukturen ermöglicht, stosst aber durch das konventionelle Design an ihre Grenzen. Die Entwicklung noch leichterer, unkonventioneller Strukturen und Bauweisen wurde bisher durch die in der Luftfahrt verwendeten Fertigungsprozesse für CFK- und Metallstrukturen limitiert.
Die Formfreiheit von mit 3D Druckern gefertigten strukturellen Elementen, eröffnet die Aussicht Bauteile mit neuen unkonventionellen Designs zu realisieren. Um hochfeste mit dem 3D Druck gefertigte Bauteile in Flugzeugen einzubauen, werden diese noch mit CFK Laminaten verstärkt. Diese kombinierte CFK-AM Technologie erlaubt eine schnelle und günstige Prototypentwicklung.
Erste Konzepte von primären Flugzeugstrukturen wurden am CMAS-Lab der ETH Zürich an einem Querruder der Dornier Do228 untersucht. Dabei wurde das konventionelle Design mit Rippen durch eine Fachwerkstruktur ersetzt. Bei diesen Untersuchungen wurde Epoxy Prepreg auf einen mit 3D Druck hergestellten Kern laminiert und direkt im Autoklav ausgehärtet. Dabei verbinden sich die einzelnen Elemente direkt miteinander.
Heute werden in der Luftfahrtindustrie für Primärstrukturen vorwiegend CFK Laminate mit einer duro
Dekarbonisierung und Nachhaltigkeit sind die grössten Herausforderungen der Luftfahrtindustrie. Dabei spielen zwei Punkte eine grundlegende Rolle: 1) die Reduktion des Treibstoffverbrauchs während der Nutzung eines Flugzeuges und 2) die Wiederverwertung von Materialien nach Ausserbetriebnahme. Eine Möglichkeit den Treibstoffverbrauch zu reduzieren ist, nebst effizienteren Triebwerken, der Leichtbau. Dies wird in der Luftfahrtindustrie vor allem durch die Verwendung von neuen Materialien wie kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) realisiert. In neueren Flugzeugen wie dem Airbus A350 oder der Boeing 787 bestehen die Flügel aus einer CFK Haut und Aluminium Rippen, was in der Industrie als «Black Aluminum Design» bezeichnet wird. Diese Bauweise hat im Vergleich zu klassischen Aluminiumstrukturen leichtere und effizientere Strukturen ermöglicht, stosst aber durch das konventionelle Design an ihre Grenzen. Die Entwicklung noch leichterer, unkonventioneller Strukturen und Bauweisen wurde bisher durch die in der Luftfahrt verwendeten Fertigungsprozesse für CFK- und Metallstrukturen limitiert. Die Formfreiheit von mit 3D Druckern gefertigten strukturellen Elementen, eröffnet die Aussicht Bauteile mit neuen unkonventionellen Designs zu realisieren. Um hochfeste mit dem 3D Druck gefertigte Bauteile in Flugzeugen einzubauen, werden diese noch mit CFK Laminaten verstärkt. Diese kombinierte CFK-AM Technologie erlaubt eine schnelle und günstige Prototypentwicklung. Erste Konzepte von primären Flugzeugstrukturen wurden am CMAS-Lab der ETH Zürich an einem Querruder der Dornier Do228 untersucht. Dabei wurde das konventionelle Design mit Rippen durch eine Fachwerkstruktur ersetzt. Bei diesen Untersuchungen wurde Epoxy Prepreg auf einen mit 3D Druck hergestellten Kern laminiert und direkt im Autoklav ausgehärtet. Dabei verbinden sich die einzelnen Elemente direkt miteinander. Heute werden in der Luftfahrtindustrie für Primärstrukturen vorwiegend CFK Laminate mit einer duro
Diese Arbeit fokussiert sich auf die Weiterentwicklung der Schweissverbindung von voll-thermoplastischen CFK-AM Bauteilen. Die nötige Wärme zur Erreichung der Schmelztemperatur wird mit Hilfe des induzierten Stromes in einem Metallgitter in der Schweissebene realisiert. Als Ziel der Arbeit sollen die optimalen Parameter zur Induktionsschweissung mit verschiedenen Metallgittern (Material & Geometrie) untersucht und mit einer Widerstandsschweissung verglichen werden. Um die Schweissverbindungen zuverlässig zu charakterisieren, sollen auch interne Prüfvorrichtungen aufgebaut und entsprechende Versuchsvorschriften ausgearbeitet werden.
Diese Arbeit fokussiert sich auf die Weiterentwicklung der Schweissverbindung von voll-thermoplastischen CFK-AM Bauteilen. Die nötige Wärme zur Erreichung der Schmelztemperatur wird mit Hilfe des induzierten Stromes in einem Metallgitter in der Schweissebene realisiert. Als Ziel der Arbeit sollen die optimalen Parameter zur Induktionsschweissung mit verschiedenen Metallgittern (Material & Geometrie) untersucht und mit einer Widerstandsschweissung verglichen werden. Um die Schweissverbindungen zuverlässig zu charakterisieren, sollen auch interne Prüfvorrichtungen aufgebaut und entsprechende Versuchsvorschriften ausgearbeitet werden.