So werden Lager in Compositewerkstoffe richtig integriert

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Fokus 1: Strukturteile aus Verbundwerkstoff entwickeln

SKF ist es gelungen, die technische Herausforderung zu meistern und aus metallischen Schnittstellenteilen leichte und hochleistungsfähige Verbundwerkstoffteile zu machen. Das Ergebnis jahrelanger Forschung und Entwicklung heißt „SKF Black Design“. SKF hat dieses außergewöhnliche Ergebnis durch einen Paradigmenwechsel im Verbundwerkstoffteil-Engineering erreicht. Der Einsatz herkömmlicher Bauteilkonstruktionen bei Verbundwerkstoffen anstelle von Metall („Black Metal“-Ansatz) lässt nur bescheidene Leistungssteigerungen zu, und die Teile bleiben anfällig für Auffaltung und Delamination. Bei SKF Black Design wird das Matrixmaterial (Harz) jedoch dort eingesetzt, wo es die höchste Leistung bringt: unter Druck.

Um dies zu ermöglichen, entwickelten die SKF Ingenieure neue Formen und Bauteilgeometrien, um sicherzustellen, dass das Harz in Bereichen, die einer Belastung außerhalb der Ebene ausgesetzt sind, durch die Laminatdicke komprimiert bleibt. Dies führt zu einer höheren Schubspannungsfestigkeit und eliminiert den Auffalt-Effekt. Der Einsatz von Halbkugelscheiben, um eine Durchstanzneigung zu vermeiden und zusätzlich eine Druckbelastung im Verbundwerkstoff zu ermöglichen, ist ein Beispiel für eine clevere Lösung, die nachweislich die Festigkeit des Bauteils deutlich erhöht.

Treibstoffverbrauch runter heißt Umweltschutz rauf

Die Konstruktionen zeichnen sich auch durch raffinierte Riffelungen und den sorgfältig abgestimmten Einsatz von Schütt- und Endlosverstärkungsmaterialien aus – alles Wissen, mit dem das SKF Composite Centre seine Partner unterstützt.

Die Gewichtsreduktion bei Flugzeugen hat zum Ziel, sowohl den Treibstoffverbrauch als auch die Umweltbelastung zu senken. Dies hat dazu geführt, dass der Einsatz von Verbundwerkstoffen in der neuesten Generation von Verkehrsflugzeugen um 50 % zugenommen hat. Allerdings begrenzt die strukturelle Performance, die durch die herkömmliche Konstruktion von Verbundwerkstoffteilen erzielt wird, den vermehrten Einsatz von Verbundwerkstoffen in Flugzeugen.

SKF Black Design bietet die erforderliche strukturelle Performance durch die Kombination vorhandener kohlefaserverstärkter Kunststoffe (CFK) mit innovativen Konstruktionsverfahren. Dadurch erweitert sich der Anwendungsbereich für Verbundwerkstoff -Lösungen auf Strukturteile, die in puncto Masse-/Kosten-Verhältnis sehr gut mit den aktuellen Metallkomponentenlösungen mithalten können.

Der „Black-Metal“-Ansatz

Die in der Luft- und Raumfahrtindustrie am häufigsten verwendeten Verbundwerkstoffe werden durch das Aufschichten vorimprägnierter Lagen aus Kohlefasern hergestellt. Das Harz sorgt für die Lastübertragung zwischen den Fasern und den Zusammenhalt zwischen den Lagen. Diese Technologie eignet sich gut für Rumpf, Flügel, Rahmen und Stringer, da das Laminat hauptsächlich in der Ebene belastet wird. Bei diesen Geometrien bieten die Kohlefasern eine hohe Festigkeit und Steifigkeit in der Faserrichtung; allerdings werden die mechanischen Eigenschaften des Materials in der Richtung senkrecht zur Faserebene vom Harz bestimmt. Das Harz ist das Bindemittel und weist im Vergleich zur Kohlefaser eine geringe Festigkeit (circa fünzigmal niedriger) auf. Daher ist der Einsatz von Verbundwerkstoffen auf Strukturteile mit einer Belastung außerhalb der Ebene, beispielsweise strukturelle Schnittstellenteile wie T-Stücke und Strukturleisten, begrenzt (Bild 1)

Bei der herkömmlichen Formgebung werden metallische Formteile und Strukturleisten einem Falt- und Auffaltvorgang unterzogen. Bei Verbundwerkstoffteilen gleicher Form führt dasselbe Belastungsmuster zu einer Trennung der CFK-Lagen im 90 °-Eckbereich aufgrund von interlaminaren Spannungen im Harz. Dieses Phänomen wird Delamination genannt und tritt bei sehr geringer Belastung auf, was dazu führt, dass das Bauteil nicht praxistauglich ist.

Um dieses Problem zu lösen, hat die Verbundwerkstoffindustrie neue Technologien wie 3D-Weben und Hochleistungsharze in Kombination mit der konventionellen Bauteilgeometrie („Black Metal“-Ansatz) untersucht. Allerdings haben sich dabei erhebliche Einschränkungen hinsichtlich der mechanischen Leistungsfähigkeit und der Kostenwettbewerbsfähigkeit gezeigt.

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