Leichtbau ist für die Luftfahrt von zentraler Bedeutung, da jedes eingesparte Kilogramm Treibstoffverbrauch und Emissionen reduziert. Im Projekt »STair« arbeiten die Diehl Aviation Laupheim GmbH, die Ensinger GmbH, die ThermHex Waben GmbH und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS an neuen Kabinenbauteilen für Flugzeuge, die mithilfe von Thermoplastic Sandwich Moulding entwickelt werden.
Thermoplastic Sandwich Moulding ist eine am Fraunhofer IMWS entwickelte Fertigungstechnologie, mit der sich thermoplastische Sandwichstrukturen für kabinenspezifische Anwendungen herstellen lassen. Bis April 2027 wollen die Projektpartner nachweisen, dass sich damit Bauteile wie Gepäckfächer oder Bordküchenwände fertigen lassen, die das Gewicht heutiger duroplastischer Lösungen nicht überschreiten und gleichzeitig alle geltenden Luftfahrtanforderungen erfüllen.
Leichtbau-Anforderungen in der Flugzeugkabine
Leichtbau ist insbesondere in der Flugzeugkabine von hoher Relevanz, da hier zahlreiche Bauteile verbaut sind, die im Lebenszyklus eines Flugzeugs mehrfach erneuert werden. Jedes eingesparte Kilogramm reduziert den Treibstoffverbrauch und damit verbundene Emissionen. Gleichzeitig unterstützt Leichtbau die Erreichung unternehmensinterner Nachhaltigkeitsziele und mindert die Auswirkungen steigender CO₂-Bepreisung in der Luftfahrtindustrie.
Für Kabinenanwendungen wie Gepäckfächer oder Bordküchenwände kommen daher häufig Sandwichstrukturen zum Einsatz. Dünne, feste Decklagen umschließen einen leichten Kern und ermöglichen robuste, zugleich gewichtssparende Konstruktionen. Der Stand der Technik basiert überwiegend auf duroplastischen Bauteilen mit phenolharzbasierten Decklagen und Wabenkernen aus Aramidpapier, die sich in der Praxis bewährt haben, jedoch mit prozess- und umweltbedingten Einschränkungen verbunden sind.
Thermoplastic Sandwich Moulding als Fertigungstechnologie
Mit Thermoplastic Sandwich Moulding steht eine Fertigungstechnologie zur Verfügung, die den Einsatz thermoplastischer Sandwichstrukturen für Kabinenbauteile ermöglicht. Das am Fraunhofer IMWS entwickelte Verfahren kombiniert Thermoformen und Funktionalisieren mittels Spritzguss in einem hoch automatisierten One-Shot-Prozess. Dadurch lassen sich mehrere Prozessschritte wie Formgebung, Fügen und Funktionalisierung in einem integrierten Ablauf realisieren.
Im Projekt »STair« wird Thermoplastic Sandwich Moulding gezielt für hochtemperaturbeständige thermoplastische Sandwichstrukturen weiterentwickelt, die den Anforderungen der Luftfahrtindustrie entsprechen. Die Projektpartner definieren dafür zunächst konkrete Bauteilanforderungen und entwickeln darauf aufbauend passende Halbzeuge, Mustermaterialien sowie Umform- und Verarbeitungsprozesse entlang unterschiedlicher Prozessrouten.
Energieeffizienz und ökologische Effekte der Verarbeitung
Ein zentrales Ziel des Projekts ist die Steigerung der Energie- und Materialeffizienz bei der Herstellung von Kabinenbauteilen. Durch den Einsatz von Thermoplastic Sandwich Moulding soll der Energiebedarf in der Verarbeitung im Vergleich zu etablierten duroplastischen Verfahren um rund 30 Prozent gesenkt werden. Insbesondere die deutlich kürzeren Zykluszeiten thermoplastischer Systeme tragen zu diesem Effekt bei.
Darüber hinaus eröffnet die Technologie neue Möglichkeiten im Umgang mit Produktionsabfällen. Bis zu 80 Prozent der anfallenden Abfälle sollen direkt in der Halbzeugherstellung wiederverwertet werden können. Gleichzeitig sollen die Emissionen durch den Einsatz lösungsmittelhaltiger Systeme während der Produktion um bis zu 80 Prozent reduziert werden, da Thermoplastic Sandwich Moulding ohne umweltschädliche Lösungsmittel auskommt.
Entwicklung hochtemperaturbeständiger Sandwichstrukturen
Um diese Effekte zu realisieren, wird Thermoplastic Sandwich Moulding im Projekt auf die Verarbeitung hochtemperaturbeständiger thermoplastischer Sandwichstrukturen angepasst. Diese sogenannten HT-TP-Sandwiches bestehen aus thermoplastischen Waben- oder Schaumkernen sowie Deckschichten aus faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, die speziell für den Einsatz in der Luftfahrt konzipiert sind.
Die Verarbeitung dieser Materialien stellt hohe Anforderungen an die Prozessführung. Die entsprechenden Prozessschritte müssen so weiterentwickelt werden, dass sowohl die Formgebung als auch das Fügen und die Funktionalisierung der Bauteile unter hohen Temperaturen zuverlässig möglich sind. Ziel ist es, Bauteile zu erzeugen, die höchstens so schwer sind wie bestehende duroplastische Lösungen und zugleich alle geltenden luftfahrtspezifischen Anforderungen erfüllen.
Thermoformprozesse und komplexe Bauteilgeometrien
Am Fraunhofer IMWS liegt der Schwerpunkt auf der Erforschung effizienter Thermoformprozesse für HT-Halbzeuge. Diese ebenen Sandwichplatten werden zunächst aufgeheizt und anschließend zügig in ein speziell entwickeltes Formgebungswerkzeug überführt. Dort erfolgt das dreidimensionale Thermoformen bei Temperaturen von mehr als 200 °C.
Eine besondere Herausforderung besteht darin, den leichten Kern in der Fläche weitgehend zu erhalten und gleichzeitig an Bauteilrändern monolithisch auslaufende Bereiche zu realisieren. Diese erfordern ein vollständiges Aufschmelzen und Verpressen des Kerns. Zusätzlich untersucht das Projektteam Hybrid-Sandwichstrukturen mit kombinierten Kernmaterialien, etwa Wabenkernen in der Fläche und Schaumkernen in geometrisch komplexeren Bauteilregionen, was die Anforderungen an Verarbeitung und Materialverhalten weiter erhöht.
Analyse, Simulation und Recyclingkonzepte
Zur systematischen Untersuchung der Bauteileigenschaften werden Modellierungs- und Simulationsansätze eingesetzt. Ergänzend kommen experimentelle Methoden wie Dehnungsmessungen, morphologische Untersuchungen mittels Röntgen-CT sowie beschleunigte Alterungstests zum Einsatz, um das Einsatz- und Langzeitverhalten der Bauteile zu bewerten.
Parallel dazu erforscht das Projektteam Recyclingkonzepte für thermoplastische Sandwichbauteile. Untersucht werden unter anderem die Eigenschaften von Bauteilen, die Rezyklate aus Verschnittresten enthalten. Begleitende Lebenszyklusanalysen sollen aufzeigen, in welchem Umfang sich Emissionen sowohl während der Herstellung als auch nach dem Ende des Lebenszyklus reduzieren lassen.
Perspektiven für die industrielle Umsetzung
Durch die enge Zusammenarbeit der Projektpartner entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Materialherstellung über die Halbzeugentwicklung bis zur Bauteilfertigung – sollen die Ergebnisse zügig in industrielle Anwendungen überführt werden. Die im Projekt entwickelten Lösungen sind darauf ausgelegt, bestehende Kabinenkonzepte ohne zusätzliche Gewichtssteigerung zu ersetzen.
Das Projekt »STair« wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo Klima VII-1 gefördert. Ziel ist es, mit Thermoplastic Sandwich Moulding eine belastbare technologische Grundlage für effizientere und nachhaltigere Kabinenbauteile in der Luftfahrt zu schaffen.