Luft- und Raumfahrttechnik - think ING. kompakt 04|2019 by GESAMTMETALL

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April 2019

kompakt D e i n E i n bli c k i n d i e We l t d e r In ge ni e u r i nn e n u n d In ge ni e u r e

LUFT- UND RAUMFAHRTTECHNIK

DIE ZUKUNFT FLIEGT MIT P O R T R ÄT ÜBERFLIEGER AUS PL ASTIK ab Seite 2

T R EN D S AKTUELLE ENTWICKLUNGEN I N D E R L U F T FA H R T T E C H N I K ab Seite 5

Der E-Antrieb kommt – im wahren Wortsinn – so langsam auf die Straße. Elektroautos weisen den Weg in eine Antriebsalternative für den täglichen Individualverkehr. Vielleicht nicht die einzige Option, aber derzeit die meist diskutierte. Doch wie sieht es bei den Flugzeugen aus? Mal abgesehen von Experimentalflugzeugen wie der mit Solarzellen angetriebenen Solar Impulse, gibt es erste Kleinflugzeuge, die bereits die Alpen oder den Ärmelkanal überquert haben. Oder die Extra 330LE mit Siemens-Motor, die mit knapp 380 Stundenkilometern seit 2017 den E-Flugzeug-Geschwindigkeitsweltrekord hält. Noch, denn die Konkurrenz arbeitet mit dem ACCEL-Projekt an einem E-Flieger, der es 2020 auf 480 Stundenkilometer bringen soll. Es gibt aber auch große Pläne für gleichsam große E-Verkehrsflugzeuge. weiter auf Seite 2

Hybride Flugversionen sind ebenfalls im Gespräch. Dennoch ist der E-Antrieb für die zivile Luftfahrt nicht wirklich in Sicht. Motivierte Ingenieurinnen und Ingenieure sind also gefordert, in den Forschungsabteilungen der Flugzeughersteller den Strom mehr und mehr im Blick zu haben, um die Luftfahrt zu elektrifizieren. Bis dahin verlangen Propeller und Düsen weiterhin fossile Brennstoffe.

Abgesehen von der Antriebsfrage bringen kleine und mittelständische Unternehmen in Deutschland und auf der ganzen Welt kontinuierlich technische Innovationen für jedes Flugzeugdetail auf den Weg. Ganz zu schweigen von den Branchengiganten wie Airbus und Boeing. Die Zukunft des Fliegens wird ständig vorangetrieben: Rumpf und Tragflächen werden leichter und aerodynamischer, Trieb- und Fahrwerke leiser und energieeffizienter, Fluggastkabinen komfortabler und besser isoliert, Wasser- und Stromversorgungssysteme sparsamer etc. Und selbstverständlich wird heute auch in der Luftfahrt die Digitalisierung großgeschrieben. Die R² Data Labs, das Rolls-Royce Förderzentrum für innovative Datendienste, und die Digital Engineering Experten des Hasso-Plattner-Instituts kündigten unlängst eine umfangreiche Kooperation an, um zukunftsorientierte Lösungen für den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) und Datensicherheit zu entwickeln. Der gezielte Einsatz von KI soll beispielsweise präzisere proaktive Wartung nach Maß gewährleisten (siehe auch S.5-6). Für maximale Datenintegration und -sicherheit werden Datenflüsse, -organisation und -speicherung Inhalt der Forschungskooperation sein.

Schweißnahtkontrolle an der

ÜBERFLIEGER AUS PLASTIK

Druckkalotte

Die Extra 330LE mit Siemens-Motor hat mit 380 Stundenkilometern

Thermoplastische Kunststoffe sind die Überflieger der Luftfahrt. Nach und nach verdrängen sie klassische Baumaterialien wie Aluminium und sind im Flugzeugbau beliebter denn je. Ihr großer Vorteil? Ihr Leichtgewicht. Mit der Verarbeitung dieser Werkstoffe befasst sich Dr. Stefan Jarka. Der 35-jährige Ingenieur ist heute gelernter Maschinenbauer und arbeitet als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter beim DLR in Augsburg am Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie. Genauer gesagt am Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie. Hier forscht er mit seinen Kolleginnen und Kollegen an der (Weiter-) Entwicklung geeigneter Fügetechnologien für thermoplastische Kunststoffe.

einen Geschwindigkeitsrekord für E-Flieger aufgestellt

Die digitale Zukunft zeichnet fantastische Bilder – auch in der Luftfahrt. Zugleich sind es die Ingenieurinnen und Ingenieure der Luft- und Raumfahrt, die hier Entscheidendes leisten. Mit anderen Worten: Wer jetzt einsteigt, wird daran beteiligt sein, den zukünftigen Verkehr über den Wolken maßgeblich neu auszurichten. Welcome on board.

Konstruktiver Leichtbau spielt in der Luftfahrt eine wichtige Rolle – je schwerer eine Maschine, desto mehr Kerosin verbraucht sie. Das ist nicht nur wirtschaftlich, sondern auch umwelttechnisch ein Problem. Auch die Reichweite wird durch das Baumaterial beeinflusst – je leichter das Flugzeug, desto länger die Strecke, die es ohne Tankstopp zurücklegen kann. Zieht man zudem ihre glatte Oberfläche, die Wetterbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit hinzu, sind thermoplastische Kunststoffe wie gemacht für den Einsatz im Flugzeugbau.

Eine der Herausforderungen bei der Nutzung dieser Werkstoffe in der Luftfahrt ist jedoch die Größe der zu bauenden Strukturen. Eine Passagiermaschine von der Größe eines Airbus A320 kann nicht aus einem Guss hergestellt werden, beim Flugzeugbau müssen daher einzelne Bauelemente zwangsläufig sicher miteinander verbunden werden. Genau an dieser Stelle kommt Dr. Stefan Jarka ins Spiel. Während seines Maschinenbaustudiums spezialisierte er sich auf Werkstoff- und Kunststoffprozesstechnik. Am DLR untersucht er nun verschiedene Schweißtechnologien, mit denen einzelne Bauelemente aus thermoplastischem Kunststoff miteinander verschmolzen werden können. Diese Methode kennt man zwar in erster Linie aus der Metallindustrie, sie lässt sich aber auch in der Kunststoffverarbeitung einsetzen. Flugzeuge aus Plastik – Kunststoffe sind die Überflieger

H I T Z E A N FÄ L L I G U N D F L E X I B E L

im Flugzeugbau

Wie der Name vermuten lässt, zeichnen sich Thermoplaste durch ihre temperaturabhängige Plastizität aus: Werden sie Hitze ausgesetzt, lassen sie sich flexibel in ihrer Form verändern, bei besonders hohen Temperaturen werden sie sogar flüssig. Diese Eigenschaften werden für die Verarbeitung genutzt.

me und die Kunststoffelemente erhitzen sich. Durch die Hitze schmelzen die Thermoplaste an und können durch kontinuierlichen Druck miteinander verbunden werden. Das elektrische Widerstandsschweißen ist nur eine der Schweißtechnologien, die am Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie untersucht werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fügetechnologien wie Nieten, Schrauben oder Kleben stellt Schweißen eine deutlich „werkstoffgerechtere“ und effizientere Verarbeitungsmethode dar. Beim Kleben muss mit einem zusätzlichen Fremdwerkstoff gearbeitet werden, der gleichzeitig nur eine oberflächliche Verbindung erzielen kann. Nieten und Schrauben bedeuten zusätzliches Gewicht und erfordern Bohrarbeiten, die die Stabilität des Werkstoffs einschränken können. Außerdem wird hier nur eine punktuelle Anbindung erzeugt – anders als beim Schweißen, bei dem die Bauteile über größere Flächen stoffschlüssig (und damit nicht lösbar) miteinander verschmelzen. Trotz all dieser Vorteile war und ist es eine Herausforderung, diese Schweißmethodik in der Industrie zu etablieren.

E I N U N S C H L AG B A R E S T E A M

Erstes Anheben des Bauteils nach dem Schweißen

Vorrangig beschäftigt sich Stefan Jarka mit dem sogenannten elektrischen Widerstandsschweißen. Hierbei wird ein elektrischer Leiter mit hohem elektrischen Widerstand an der Fügezone der Bauelemente (also der Stelle, an der die Bauteile miteinander verbunden werden sollen) angebracht und unter Strom gesetzt. Durch den Widerstand des Leiterwerkstoffs erfolgt eine Umwandlung der elektrischen in thermische Energie. Oder einfach ausgedrückt: Es entsteht Wär03

Im Flugzeugbau hat Sicherheit oberste Priorität. Bis sich ein neuer Werkstoff oder eine neue Technologie vollständig etabliert und das Vertrauen der Industrie gewonnen hat, kann es also dauern. Die zögerliche Einstellung ist verständlich, eine defekte Schweißnaht an einem Passagierflugzeug könnte schließlich verheerende Auswirkungen haben. Wer auf Schweißtechnologien setzt, muss also auch eine entsprechende Qualitätssicherung vorweisen können. Stefan Jarka und sein Team versuchen deshalb Fügemethoden im Flugzeugbau weiter zu automatisieren – so spart man nicht nur Zeit und Kosten, sondern kann auch die Qualität der Arbeitsprozesse optimieren. Das Zusammenschweißen einzelner Thermoplastbauteile lässt sich glücklicherweise fast vollständig automatisieren. Mögliche Fehler können so direkt maschinell detektiert und behoben werden. Die Produktqualität steigt und damit auch die Sicherheit für Hersteller und Passagiere. Schweißtechnologien und thermoplastische Kunststoffe sind eine unschlagbare Kombination für den Flugzeugbau – wie auch Stefan Jarkas aktuelles Projekt beweist.

Das Bauteil besteht aus acht miteinander verschweißten Einzelelementen, die zusammen eine drei Meter breite, gekrümmte Scheibe ergeben, was dem Originalmaß für eine Druckkalotte in einem Airbus A320 entspricht. Im letzten Jahr konnte die Premium AEROTEC GmbH das Modell auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA) in Berlin präsentieren und erzielte eine durchweg positive Resonanz. Strukturbauteile in dieser Größenordnung zu verschweißen, ist weiterhin eine Herausforderung. Obwohl die Verarbeitungstechnik schon seit Jahren bekannt ist, kamen Entwickler bisher selten über die Herstellung von Probekörpern hinaus. Ein seriennahes und beinahe einsatzbereites Modell auszustellen, weckt nicht nur das Interesse bei Messebesuchern und potenziellen Anwendern, sondern steht gleichzeitig richtungsweisend für die zukünftigen Entwicklungen im Flugzeugbau.

Manuel Engelschall ist wie Stefan Jarka wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie. Nach seiner Ausbildung zum Zerspanungstechniker studierte er Maschinenbau an der Hochschule Augsburg. Am DLR-Standort Augsburg forscht er an Fügetechnologien für faserverstärkte Kunststoffe, sein Fokus liegt dabei auf der Ultraschallschweißtechnologie und der Frage, wie man diese automatisieren kann. WIE FUNKTIONIERT D I E U LT R A S C H A L LSCHWEISSTECHNOLOGIE?

Beim Ultraschallschweißen nutzen wir mechanische Schwingungen, um thermoplastische Kunststoffe aufzuschweißen und miteinander zu verbinden. Hierbei arbeiten wir mit Hochfrequenzschwingungen von 20 Kilohertz, die durch eine sogenannte Sonotrode in die Fügezone eingeleitet werden. Zwischen den Fügepartnern befestigen wir zudem eine Matrixfolie, die als Energierichtungsgeber dient. So können wir die Energie gezielt und konzentriert einleiten. Bei Energiezufuhr kommt es dann zu intermolekularen Reibungen innerhalb der Matrixfolie. Zusätzlich entstehen Reibungen zwischen Matrixfolie und Fügepartnern. So wird Wärme erzeugt, wodurch die Bauteile aufschmelzen und miteinander verschweißt werden. Gerade eben arbeiten wir daran, diesen Vorgang so weit wie möglich zu automatisieren.

WIESO IST DIE A U T O M AT I S I E R U N G DER SCHWEISSTECHNOLOGIE SO WICHTIG?

Ein automatisiertes Verfahren ist nicht nur schneller und effizienter, sondern dient auch der Qualitätssicherung. Wenn wir schon während des Schweißprozesses Informationen über die Verbindung erfassen und analysieren könnten, könnten wir direkt eine Aussage über die Qualität unseres Produkts treffen. Nachträgliche Untersuchungen, wie zerstörungsfreie Prüfverfahren könnten dann der Vergangenheit angehören.

WA R U M W U R D E N D I E V E R FA H R E N BISHER NOCH NICHT A U T O M AT I S I E R T ?

Der Flugzeugbau ist nicht mit der Automobilindustrie zu vergleichen, in die die Automatisierung schon vor Jahren Einzug gehalten hat. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Fertigungszahlen werden vor allem in der Montage viele Abläufe noch manuell durchgeführt. Wir stehen gerade erst am Anfang der robotischen Umsetzung beim kontinuierlichen Ultraschallschweißen. Zu zeigen, dass ein Industrieroboter überhaupt in der Lage ist, eine kontinuierliche Ultraschallschweißnaht herzustellen, ist ein großer Schritt in die richtige Richtung.

WIESO HABEN SIE SICH FÜR DIE ARBEIT AM DLR ENTSCHIEDEN?

Mir gefällt, dass ich hier sehr eigenständig arbeiten kann und direkt in die Forschung involviert bin. Gleichzeitig schätze ich das interdisziplinäre und dadurch abwechslungsreiche Arbeiten. Ein weiterer Punkt ist, dass ich hier nicht nur bei einem Schritt der Umsetzung einer neuen Idee, sondern in den kompletten Projektablauf involviert bin – im konkreten Fall des Ultraschallschweißens durfte ich die Entwicklung des Roboterwerkzeuges, die Konstruktion sowie teilweise die Fertigung, Inbetriebnahme und Prozessentwicklung übernehmen.

Stefan Jarkas Druckkalotte wird möglicherweise bereits 2021 die nächste Generation der A320-Familie schmücken. Gut möglich, dass noch mehr seiner Projekte die Lüfte erobern werden, denn auch wenn Plastik in anderen Lebensbereichen nicht mehr den besten Ruf genießt, im Flugzeugbau sind thermoplastische Kunststoffe wahre Zukunftsträger.

ULTRASCHALLSCHWEISSEN MIT ROBOTERN © DLR

Zusammen mit der Premium AEROTEC GmbH, einem der weltweit führenden Zulieferer für Flugzeugbauteile sowie dem Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) Kaiserslautern entwickelte das DLR am Standort Augsburg einen Prototyp für eine Druckkalotte aus thermoplastischem carbonfaserverstärktem Kunststoff. Die Druckkalotte ist ein sensibles Bauteil in der Flugzeugherstellung. Die nach außen gebogene Scheibe mag optisch an eine überdimensionale Satellitenschüssel erinnern, hat aber keine geringere Aufgabe als den Luftdruck in der Kabine sicherzustellen, wofür sie den Passagierbereich des Flugzeugs luftdicht schließen muss.

Beim Heißpressen kommen besonders große Maschinen zum Einsatz

AUGMENTED RE ALIT Y BEI AIRBUS

AKTUELLE ENTWICKLUNGEN IN DER LUFTFAHRTTECHNIK

Flugzeugkomponenten optimal zu warten, zu reparieren oder auszutauschen kann hochproblematisch sein, weil der Ersatz tiefsitzender Komponenten in dem Wirrwarr der hochverdichteten Turbinentechnik mitunter unmöglich erscheint. Man kommt einfach nicht oder nur schwer an die Bauteile heran, ohne den komplexen Aufbau Stück für Stück auseinanderzunehmen. Aus diesem Grund hat das Unternehmen Airbus bereits vor einigen Jahren begonnen, mit Virtual-Reality-Systemen (VR) zu arbeiten, mit denen man beispielsweise virtuell in ein Triebwerk blicken kann. Der jüngste Schritt ist hingegen die Augmented Reality (AR) – die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung. Hier können Kameras in einem eigenen Realistic Human Experiment Analysis Raum (RHEA) jede Bewegung des Nutzers aufzeichnen und in eine virtuelle Welt integrieren. Nun haben Airbus-Entwickler ein tragbares RHEA-Kit konzipiert, das mit einer VR-Brille, Touchpads und zwei Infrarotkameras die problemlose Nutzung sogar am Schreibtisch ermöglicht. Heißt: Muss ein Techniker ein Triebwerk reparieren, kann er erstmal mit Hilfe der AR virtuell ins Bauteil eintauchen und prüfen, welche Kabel, Rohre, Bleche oder sonstige Teile sich ihm während der Reparatur in den Weg stellen. So ist eine präzise (Zeit-)Planung für die reale Reparatur möglich. Und das alles ohne Fluchen und Schimpfen – schließlich weiß der Techniker bereits vor der Reparatur dezidiert, was ihn in den Tiefen einer Turbine erwartet.

Gasturbine

Aus VR wird AR – und der Blick in die Detailtiefe einer Turbine wird zum digitalen Highlight

S C H WA R M R O B O T E R

Weil Flugzeugturbinen bis zu 2.000 Grad heiß werden können, ist es wichtig, sie mit einem Hitzeschild auszustatten. Um die Produktion dieser Schilde zu optimieren, hat die nordrhein-westfälische Almecon Technologie GmbH in Kooperation mit der Hochschule Südwestfalen einen alternativen und kostengünstigen Produktionsprozess für Hitzeschilde von Niederdruckturbinen entwickelt. Niederdrucktriebwerke sind Bestandteil der meisten modernen zivilen Strahltriebwerke. Das brachte dem gerade einmal 25-Mitarbeiter starken Unternehmen den Supplier Award 2018 für herausragende Leistungen des Triebwerksherstellers und Branchenschwergewichts MTU Aero Engines in der Kategorie Innovation ein. Einen passenden Zulieferervertrag gab es direkt dazu. Damit setzte sich Almecon gegen 6.300 bestehende Lieferanten durch, die bereits seit Jahren mit der MTU Aero Engines zusammenarbeiten. Die Hitzeschilde aus dem sauerländischen Arnsberg werden nun weltweit eingesetzt. So auch im neuen Airbus A320neo.

Ein erfolgreiches Team gegen die hohen Temperaturen in Flugzeugturbinen

Inspektion einer MTU-

GÜNSTIGE HITZESCHILDE

Einen anderen Ansatz, die schwer zugänglichen Bauteile, Kabelbäume, Winkel & Co. eines Flugzeugs zu erreichen, die im Rahmen gesetzlich vorgeschriebener Routineuntersuchungen immer wieder genau überprüft werden müssen, verfolgen Ingenieure bei Rolls-Royce. Speziell bei Triebwerken, die bisher zur intensiven Überprüfung zeitaufwändig zerlegt werden mussten, gibt es zukünftig eine fantastische Lösung für genau dieses Problem: Schwarmroboter. Das namhafte Traditionsunternehmen gilt weltweit als zweitgrößter Hersteller von Triebwerken. Die deutsche Rolls-Royce-Sparte entwickelte nun gemeinsam mit Ingenieuren der amerikanischen Harvard University insektenartige Roboter, die die Zerlegung der Triebwerke überflüssig machen sollen. Mithilfe eines zweiten Robotertyps – einem Schlauchroboter – gelangen die mit einer Kamera ausgestatteten Schwarmroboter in das Turbineninnere. Einmal abge-

PASSENDE STUDIENGÄNGE Sieht aus wie Spielzeug, ist aber Teil der zukünftigen Suche nach den Fehlern im letzten technischen Winkel

L U F T- U N D R A U M FA H R T T E C H N I K Bachelor an der Fachhochschule Aachen s.think-ing.de/lur-fh-aachen

setzt, kriechen die nur zehn Millimeter breiten Roboter alleine oder eben im größeren Schwarm von dort aus tief ins Triebwerksinnere. Währenddessen kann der Bediener ihren Weg auf einem Live-Video-Feed beobachten und so die Inspektion durchführen. Und es gibt noch zwei weitere Robotertypen, die aus der unheimlichem Zweiergruppe schließlich ein Quartett machen: Winzige Inspektionsroboter und Boreblending-Roboter, mit denen ebenfalls Spezialreparaturen durchgeführt werden können.

AIRCRAFT AND FLIGHT ENGINEERING Bachelor an der Hochschule Osnabrück s.think-ing.de/aircraft-osnabrueck E L E K T R O - U N D L U F T FA H R T T E C H N I K Bachelor an der Hochschule RheinMain s.think-ing.de/luftfahrt-rheinmain AV I AT I O N B U S I N E SS A N D PI LOT I N G – TEC H N I K U N D W I R T SC H A F T I N D E R LU F T FA H R T Dualer Bachelor an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes s.think-ing.de/aviation-saarbruecken

LEISER HUBSCHR AUBER

A E R O S PAC E T E C H N O L O G I E S Master an der Hochschule Bremen s.think-ing.de/aerospace-bremen

Finde Studiengänge, die deinen Interessen, Stärken und Zielen entsprechen, mit dem think ING. Finder unter s.think-ing.de/finder

IMPRESSUM Sieht aus wie ein Hubschrauber, klingt aber nicht so – Doppelrotoren machen es möglich

Ultraleichtflugzeuge sind schon lange bekannt, Ultraleichthubschrauber kennt kaum jemand. Kein Wunder, denn der erste Prototyp entstand erst 2015. CoAX 2D heißt der kleine zweisitzige Hubschrauber, der jüngst mit dem Innovationspreis der deutschen Luftfahrt 2018 ausgezeichnet wurde. Erdacht und gebaut hat ihn der Flieger Engelbert Dreiling, der für den leichten Heli extra die Firma edm aerotec gründete. Seine Idee war es, einen ultraleichten Helikopter zu entwickeln, mit dem man leichter fliegen kann als mit jedem anderen Fluggerät. Das Ergebnis kann sich sehen lassen. Der kleine Helikopter ist nicht nur 283 Kilogramm leicht, sondern auch um 80 Prozent leiser als seine klassisch gebauten Brüder und liegt dennoch stabil in der Luft. Die koaxiale Rotorvariante mit vier Rotorblättern auf zwei sich gegenläufig drehenden Ebenen schafft durch seine Eigenstabilität im Vergleich zum Single Rotor ein stabileres Flugverhalten. Damit entfällt auch der für Hubschrauber sonst zwingend notwendige Heckrotor. Diese Bauart kam bisher nur bei schweren Helikoptern russischer Bauart zum Einsatz – und bei den Spielzeughelikoptern, die mit einer Fernbedienung in der Wohnung zumeist von Kindern geflogen werden.

Der Einstieg in die Welt der Luftfahrt gelingt über verschiedene Studiengänge. Die naheliegende Luftund Raumfahrttechnik kann man unter anderem an Universitäten in München, Berlin und Würzburg studieren. Wer sich allerdings schon früh auf Flugzeuge spezialisieren möchte, gerne auf Englisch studieren will oder sich auch einen wirtschaftlichen Teil dazu wünscht, für den stehen auch viele andere Studiengänge offen.

Herausgeber GESAMTMETALL Gesamtverband der Arbeitgeberverbände der Metall- und Elektro-Industrie e.V. Voßstraße 16 - 10117 Berlin Verantwortliche Leitung Wolfgang Gollub Redaktion und Gestaltung concedra GmbH, Bochum Druck color-offset-wälter GmbH & Co. KG, Dortmund Alle in dieser kompakt enthaltenen Inhalte und Informationen wurden sorgfältig auf Richtigkeit überprüft. Dennoch kann keine Garantie für die Angaben übernommen werden.