Fraunhofer IWS So kommt Leichtmetall kriechend in Top-Form

Redakteur: Peter Königsreuther

Um Flugzeuge noch leichter und aerodynamischer zu machen, nutzen die Experten am Fraunhofer-IWS in Dresden das Rührreibschweißen in Kombination mit einem durch Kriechformen unterstütztes Tiefziehverfahren für Leichtmetalle.

Firma zum Thema

Um komplexe sowie große Bauteile aus besonders leichten Aluminiumlegierungen herzustellen, kombinieren die Experten am Fraunhofer IWS in Dresden zwei Verfahren, heißt es. Und zwar das Rührreibschweißen (englisch: friction stir welding = FSW), bei dem ein rotierendes Werkzeug durch seine Reibung am Werkstoff für die nötige Hitze beim Schweißen sorgt, und das sogenannte Kriechformverfahren. Ein erfolgreich gefertigtes Beispiel dafür ist diese sogenannte Ronde mit geschweißter FSW-Naht.
Um komplexe sowie große Bauteile aus besonders leichten Aluminiumlegierungen herzustellen, kombinieren die Experten am Fraunhofer IWS in Dresden zwei Verfahren, heißt es. Und zwar das Rührreibschweißen (englisch: friction stir welding = FSW), bei dem ein rotierendes Werkzeug durch seine Reibung am Werkstoff für die nötige Hitze beim Schweißen sorgt, und das sogenannte Kriechformverfahren. Ein erfolgreich gefertigtes Beispiel dafür ist diese sogenannte Ronde mit geschweißter FSW-Naht.
(Bild: Fraunhofer IWS)

Um komplex geformte, großflächige Bauteile aus besonders leichten Aluminiumlegierungen herzustellen, kombinieren die IWS-Experten, wie es heißt, also zwei Verfahren: Das sogenannte Rührreibschweißen (englisch: friction stir welding = FSW), bei dem ein rotierendes Werkzeug durch seine Reibung am Werkstoff für die nötige Hitze zum Schweißen sorgt und das Kriechformverfahren. „Diese Entwicklung ebnet den Weg zu leichteren Flugzeugen, die weniger Kerosin verbrauchen beziehungsweise mehr Passagiere und Nutzlast transportieren können und auch noch günstiger gefertigt werden können“, prognostiziert Dr. Jens Standfuß, der das Projekt koordiniert und am IWS das Geschäftsfeld Fügen leitet.

Mehr zum Thema Rührreibschweißen:

Eine hohe Schadenstoleranz ist ein Muss

Diese Ziele zu erreichen, sei für die Luftfahrtindustie besonders wichtig. Denn wer über leichte, wartungsarme und günstig zu betreibende Flugzeuge mit geringerem Kraftstoffverbrauch und mehr Nutzlast verfüge, genieße einen echten Wettbewerbsvorteil. Außerdem schont ein geringer Material- und Kerosinverbrauch die Umwelt, wie Standfuß betont. Dazu müsse jedem klar sein, dass die Industrie und die Forschung auf verschiedenen Wegen versuchen, das Gewicht von Flugzeugteilen zu senken. Einige setzen dabei auf Carbonbauteile und Faserverbundwerkstoffe, heißt es. Andere wollen mit verbesserten Metalllegierungen die Außenhaut der Flugzeuge leichter machen. Solche Materialien sollen sich allerdings auch für eine industrielle Fertigung in größeren Stückzahlen eignen, gibt Standfuß zu bedenken. Zusätzlich müssten sie im Betrieb eine hohe Schadenstoleranz aufweisen – ein „kleiner“ Riss etwa dürfe nicht zum kompletten Strukturversagen führen.

Renitente Trinität aus Aluminium, Magnesium und Scandium

Vor allem aber müssen diese Materialien später im jahrelangen Praxiseinsatz in großer Höhe die erheblichen Temperatur- und Druckunterschiede sowie korrosiven Beanspruchungen zwischen der eisigen Atmosphäre außerhalb und innerhalb der Passagierkabine aushalten, so Standfuß. Diese Kabine sei letztlich ein großer beheizter Druckbehälter zum Schutz der Passagiere: „In der dünnen, kalten Luft in 10 km Höhe muss ein künstlicher Überdruck erzeugt werden, damit Menschen diese Reise überhaupt überstehen. Nur ausgewählte Materialien sind dafür geeignet,“ sagt der Projektkoordinator.

Zu diesen Werkstoffen gehöre auch eine spezielle metallische Verbindung aus Aluminium, Magnesium und Scandium. Diese in der Fachwelt „AA5024 AlMgSc“ genannte Legierung wollen Flugzeugbauer in naher Zukunft für die Rumpfstrukturen von Passagiermaschinen verwenden, wie Standfuß informiert. Denn „AA5024“ sei ähnlich fest wie die bis dato eingesetzten flugzeugtauglichen Aluminiumlegierungen, bringe aber 5 % weniger Gewicht auf die Waage und sei korrosionsbeständiger. „Das klingt nach wenig“, räumt Jens Standfuß ein, „Aber an Bord eines Flugzeugs zählt jedes Kilo weniger.“ Das Problem sei nur, dass sich mit herkömmlichen Verfahren diese Legierung nicht ohne Weiteres in die für die Verarbeitung nötige sphärische Formen bringen lasse. Das jedoch ist unabdingbar, um aus den ebenen Blechen große Strukturen für zukünftige Flugzeuge zusammensetzen zu können.

Kriecherischer Gewöhnungseffekt

„Die Industrie verwendet heute meist das Streckziehen, um Bauteile sphärisch zu formen“, erläutert Standfuß die Situation. Dafür würden sehr große Maschinen benötigt, die das Bauteil in verschiedene Richtungen ziehen. An der vielversprechenden Alu-Legierung AA5024 versage diese industrielle Streckbank aber völlig. Das Bundeswirtschaftsministerium unterstützte im Zuge seines „Luftfahrtforschungsprogramms“ (LuFo) deshalb die Ingenieure von Airbus und Fraunhofer dabei, eine brauchbare Lösung für dieses Problem zu finden, so Standfuß. Im Rahmen dessen, entwickelte das IWS-Team das bereits erwähnte Kriechformverfahren, heißt es. Dabei wird das geschweißte Blech auf eine Musterform gelegt und, wie Standfuß sagt, an den Rändern luftdicht arretiert. Dann erwärmen die Ingenieure die Alu-Legierung mit Heizmatten und sorgen in der Musterform gleichzeitig für Unterdruck. Die Kraft, die der atmosphärische Außendruck daraufhin auf die Form entwickelt, zieht das Blech in die Kavität und die Hitze ermöglicht die Verformbarkeit des Blechs. Nach einer gewissen Zeit „kriecht“ der Werkstoff, wie der Fachmann sagt. Die Spannungen bauen sich beim Kriechen ab, und das Blech „relaxiert“, das heißt, es „gewöhnt“ sich gewissermaßen an seine neue Form, erklärt Standfuß. Aus der zunächst nur elastischen Verformung werde so eine plastische. So ließen sich perspektivisch sphärische Strukturen relativ günstig aus AA5024 fertigen.

Mehr Hightech aus der „IWS-Schmiede“:

Kriechformanlage rein, „Streckbank“ raus

Diese spezielle Version des Kriechformverfahrens ist weltweit einzigartig und für einige Anwendungsfelder nahezu alternativlos, betont Jens Standfuß. Damit werde es überhaupt erst möglich, Aluminium-Magnesium-Scandium-Bleche fehlerfrei zu einem Flugzeugsegment zu formen. Einige Zusatzvorteile sind außerdem zu erwähnen: Die Kriechformanlagen brauchen in den Werkhallen deutlich weniger Platz als die üblichen „Streckbänke“, so der Forscher. Auch verbrauche das neue Verfahren deutlich weniger Energie, erzeuge weniger Abfall und führe zu präziseren Ergebnissen.

Die wissenschaftlichen Grundlagen und die praktische Anwendbarkeit für das Verfahren hat unter anderem der IWS-Wissenschaftler Frieder Zimmermann in Versuchsreihen untersucht: Er konnte nachweisen, dass auch bereits geschweißte Formteile aus dieser Legierung auf diese Weise zuverlässig umgeformt werden können. Speziell diese Möglichkeit habe in der industriellen Praxis eine besondere Bedeutung, weil viele Bauteile erst zusammengeschweißt und danach umgeformt werden müssten – und dabei dürfen die Schweißnähte natürlich nicht versagen.

Nach den ersten Experimenten mit Probeblechen wollen die Fraunhofer-Ingenieure das Verfahren im nächsten Schritt mit „Realbauteilen“ testen, so Standfuß. Das heißt, dass Segmenten getestet so werden, wie sie tatsächlich im Flugzeug verbaut werden. Bis die ersten Flugzeuge aus dem neuen Leichtbaumaterial abheben, wird allerdings noch etwas Zeit vergehen, muss Standfuß zu geben.

(ID:45275206)