CFK-Hubschrauber Hier fliegt der nachhaltig gefertigte Highspeed-Helikopter

Er ist schnell, leicht und sparsam – der Hochgeschwindigkeits-Helikopter Racer! Er bringt es auf über 400 Kilometer pro Stunde und basiert nicht zuletzt auf einem nachhaltigen Baukonzept.

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Projektgruppe RMV

Der durchaus passende Name Racer ist ein Akronym für Rapid and Cost-Effective Rotorcraft. Er ist deutlich schneller unterwegs als herkömmliche Hubschrauber, die es etwa auf eine Geschwindigkeit von 230 bis 260 Kilometer pro Stunde bringen, heißt es weiter. Durch seine hohe Geschwindigkeit ist er für den Einsatz bei Notfällen aller Art prädestiniert. Denkbar sei jedoch auch die Funktion als Flugtaxi, um Passagiere zwischen urbanen Zentren zu befördern – und zwar staufrei.

Doch das ist nicht die einzige Besonderheit, durch die sich der Helikopter auszeichnet. Die Decklagen seiner Seitenschalen bestehen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK), der Sandwichkern aus Phenolharzwaben. Die zu fertigenden 3,4 Meter × 1,5 Meter großen Schalensegmente bilden den hinteren rechten und linken Teil der Außenhaut (siehe Bildergalerie). Sie verbinden den Heckausleger mit dem Cockpit.

Exakte Faserlagen durch Roboterunterstützung

Bisher werden derart großformatige Sandwich-Schalen manuell im Handlegeverfahren gefertigt. Klar, dass das zeitaufwendig und entsprechend teuer ist. Um das zu ändern, haben sich Forschende am Fraunhofer-IGCV in Augsburg mit Airbus Helicopters zusammengetan, um ein Fertigungsverfahren zu entwickeln, mit dem die CFK-Schalen stark automatisiert herstellbar sind. Gefördert wird die Entwicklung im Rahmen des CleanSky 2-Programms der Europäischen Union.

Der neue Ansatz basiert jetzt auf dem sogenannten Automated Fiber Placement Prozess, heißt es. Dabei legt ein Roboter endlosfaserverstärkte, mit Harzmatrix vorimprägnierte, Matten ab (unidirektionale Tapes). Die unidirektionalen Tapse bieten bessere mechanische Eigenschaften des Endproduktes und vermeiden Verschnitt.

Anwendungsspezifisch angepasste Prozesskettenglieder

Der Sandwichkern aus Phenolharzwaben macht den Verbund steif, die Decklagenfasern sorgen für die Festigkeit. Ein Klebefilm übernimmt die Krafteinleitung zwischen Kern und Decklagen.

Bevor das Material ausgehärtet wird, legt der Roboter die Fasern in ein Werkzeug ab. Der Roboter folgt dabei einem speziell entwickelten Programmablauf, heißt es weiter. Das Werkzeugkonzept wurde spezifisch für diese Prozesskette entwickelt. Dessen Oberfläche definiert die Form des Bauteils. Dabei werden die komplexen Geometrien der unterschiedlich geformten Sandwich-Taschen berücksichtigt. Die Tapes werden also exakt nur dort platziert, wo die Struktur des späteren Bauteils sie aus Stabilitätsgründen benötigt. Das spart wiederum Material.

Ein ordentliches Nachhaltigkeits-Potenzial

Je nach Schichtung und Fasertype ist ein per Automated Fiber Placement hergestelltes CFK-Bauteil stabiler als ein Stahl-Pendant, während es deutlich weniger wiegt. Durch das eingesparte Material reduziert sich das Gewicht der Schalensegmente um rund fünf Prozent, betonen die Augsburger. Und je nach verwendetem Energiemix bei der Produktion kann der ökologische Fußabdruck damit um bis zu 15 Prozent pro Schalensegment verbessert werden.

Die Weiterentwicklung des Verfahrens bringt es außerdem mit sich, dass die Produktionsabfälle von einstmals 45 auf 20 Prozent gesenkt werden konnten. Je nachdem wie viele Helikopter hergestellt werden, winkt im Vergleich zur üblichen Methode, durch den automatischen Prozess eine beachtliche Produktionskosteneinsparung: Bei einer Produktion von 65 Helikoptern pro Jahr liegt diese beispielsweise bei 20 Prozent.

Prototypen-Erstflug im nächsten Frühjahr

Schon im August letzten Jahres wurden die beiden Seitenteile für den Prototyp des Helikopters fertiggestellt. Danach erfolgten bei Airbus die Aushärtung derselben und die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, bei der die Bauteile per Ultraschall nach potenziellen Defekten durchleuchtet wurden. Denn neuartige Kombinationen aus Materialien und/oder Fertigungsprozessen bedürften einer intensiven Überprüfung. Vor allem, wenn es um Branchen geht, die um Sicherheit bemüht sind, wie eben die Luftfahrt. Im Rahmen von Permit-to-flight-Tests wurden zusätzlich Kennwerte von Materialproben ermittelt und bewertet. Diese mechanischen Prüfungen braucht es für die Flugfreigabe des Demonstrators.

Die vom Fraunhofer-IGCV hergestellten Bauteile haben bestanden. Jetzt werden sie zu einem Prototyp zusammengebaut. Anfang 2022 soll der nachhaltig gefertigte Helikopter zu seinem ersten Testflug aufbrechen.

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