28.01.2021

Verbundwerkstoff

Die Luftfahrt hat sich hauptsächlich im 20. Jahrhundert entwickelt. Ursprünglich wurden Flugzeuge aus Holz und Segeltuch hergestellt, was einfach zu beschaffende und leichte Materialien waren.

Während des Ersten Weltkriegs entwickelte sich die Flugtechnik weiter. Probleme und Bedürfnisse zukünftiger Flugzeuge konnten erkannt und verstanden werden. In den Jahren nach dem Krieg wurde Aluminium als Konstruktionsmaterial immer bedeutender, und entwickelte sich zu einem zentralen Rohstoff.

Für diesen Wechsel gibt es verschiedene Gründe. Zum einen ist man nicht mehr auf ein natürliches Material unterschiedlicher Qualität angewiesen, zum anderen wird die Bearbeitung von großen Flächen mit komplizierten Formen einfacher.

Mit dem Zweiten Weltkrieg und dem Aufkommen der Düsenflugzeuge ist ein neues Phänomen aufgetreten, das den Einsatz von Metall erforderte, nämlich: die aerodynamische Erwärmung von Oberflächen durch die Reibung der Luft bei steigender Geschwindigkeit. Zum Beispiel erwärmt sich ein Airbus A320 im Flug um 25°C und die Concorde um etwa 150°C.

Seitdem haben sich die Legierungen weiterentwickelt und verschiedenste Metalle wurden hergestellt. Titan, teuer und schwierig zu fertigen, erlaubt die Herstellung robuster Teile, Magnesium hingegen wird für sehr leichte Teile verwendet.

Obwohl der Verbundwerkstoff per Definition nichts Neues ist, konstruieren und bauen wir erst seit kurzem Flugzeuge mit dieser Art von Material. Der Verbundwerkstoff, wie z. B. Kohlefasern, ermöglicht es einem, große Teile mit komplizierten Formen zu schaffen, die sehr widerstandsfähig und gleichzeitig leicht sind. Es ist möglich, das richtige Material an den richtigen Stellen einzusetzen.

Der Verbundwerkstoff

Das Grundprinzip

Per Definition ist ein Verbundwerkstoff ein Zusammenschluss zweier Elemente, die einzeln keine Bedeutung haben, um ein neues Material zu schaffen. Stahlbeton, Zahnamalgam oder auch unsere Knochen sind Verbundwerkstoffe. Für die Struktur unseres Flugzeugs werden wir die beiden folgenden Elemente verwenden:

Gewebe: Dieses wird aus verschiedenen Materialien wie Glas oder Kohlenstoff gewonnen. Wir erzeugen eine dünne Faser, die wir dann weben können. Das Gewebe kann omni- oder multidirektional sein. Die Richtung der Fasern macht es möglich, zu definieren, in welche Richtung das Element am widerstandsfähigsten sein wird.

Ein Harz: Eine mehr oder weniger viskose Flüssigkeit, die als Bindemittel verwendet wird.

Um ein Teil zu erstellen, müssen wir den Stoff nehmen und ihn unseren Bedürfnissen entsprechend platzieren. Es besteht die Möglichkeit mehr oder weniger Schichten zu legen aber auch die Richtung des Gewebes so zu wählen, dass die Beständigkeit des Teils optimal ist. In einem nächsten Schritt werden die Fasern, mit unterschiedlichen Methoden, mit Harz bestrichen. Dieses umgibt das Gewebe, dient als Kleber und verbindet das Teil zu einem neuen Material.

UR-1 Flugzeug

Viele Teile unseres Rennflugzeugs UR-1, sind aus Verbundwerkstoff hergestellt, wie z.B. dem Rumpf oder den Flügelholmen. Nachfolgend eine Abbildung der Herstellung:

Nach dem Entwurf und den Berechnungen mit Hilfe einer Konstruktionssoftware, haben wir eine Gussform des Rumpfes aus expansivem Schaumstoff erstellt, der mit eingedicktem Harz überzogen ist. Dank des Harzes waren wir in der Lage, die Winkel zu verfeinern und an Details zu arbeiten.

Nachdem die Gussform fertig war, beschlossen wir, einen Prototyp aus billigem Fiberglas zu bauen. Dies ermöglicht uns kleiner Probleme an der Form zu entdecken, aber auch, den Rumpf in realer Grösse zu testen: Integration der Ausrüstung, Sichtprüfung für den Piloten etc.

Zu diesem Zweck haben wir den Rumpf in zwei Hälften geteilt und vier Schichten Fiberglas aufgetragen.

Sobald die Fasern aufgebracht waren, fügten wir Material hinzu, um den Durchgang des Harzes entlang des Rumpfes zu erleichtern, und setzten dann alles für 24 Stunden unter Vakuum, so dass die gesamte Luft entweichen konnte.

Das frisch gemischte Harz wurde dann durch die Fasern gepumpt, um den Glasfaser-Prototyp herzustellen.

Jetzt, wo das Harz ausgehärtet ist, können wir den Glasfaserrumpf aus der Gussform entfernen.

Nun ist es uns möglich, daran weiter zu arbeiten, Schnitte und verschiedene Tests durchzuführen.

Unser Flugzeug wird jedoch aus Kohlefasern bestehen. Der Bauprozess wird ähnlich sein. Aber vorher führt unser Experte für Verbundwerkstoffe verschiedene Tests durch, um das richtige Gewebe und die richtige Harzmischung auszuwählen.

Hier ist ein Zeitraffervideo des gesamten Produktionsprozesses: