Studie: CFK-Fensterrahmen für Verkehrsflugzeuge

Die Fensterrahmen eines Flugzeugs stellen, neben den Stringern und Spanten, eine wesentliche Teilstruktur des Rumpfes dar. Herkömmliche Flugzeugfensterrahmen werden zur Zeit überwiegend aus Aluminium gefertigt und weisen eine in etwa ovale Außenkontur und einen T-förmigen Querschnitt auf.

Durch den Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen in Verbindung mit einer faserverbundgerechten Bauteilauslegung ist es möglich, das Gewicht des Fensterrahmens unter Beibehaltung der gleichen Sicherheiten um annähernd 50% zu reduzieren. Eine optimale Bauteilauslegung wird durch den Einsatz endlosfaserverstärkter Textilien und belastungsgerecht orientierter Fasern erzielt. Die angestrebte Gewichtsersparnis erfordert den Einsatz innovativer Werkstoffe und Fertigungstechnologien, die industrielle Prozessketten für große Stückzahlen ermöglichen.

Schematischer Aufbau aus einzelnen
Sub-Preforms

Eine Schlüsselstellung in der Prozesskette nimmt die Fertigung textiler Vorformlinge (sog. Preforms) ein. Für den Fensterrahmen wird ein Gesamt-Preform erstellt, der modular aus Sub-Preforms dargestellt wird, die wiederum aus einzelnen textilen Lagen der textilen Halbzeuge aufgebaut sind. Der Lagenaufbau mit den Faserorientierungen und Schneidpositionen ergibt sich aus der statischen Auslegung des Fensterrahmens. Durch seine ringförmige Geometrie und die unterschiedlichen Faserorientierungen ergeben sich besondere Anforderungen an den Herstellungsprozess der Preforms, da die Umformungsvorgänge während der Preformerstellung die Eigenschaften der Faserhalbzeuge und Sub-Preforms beeinflussen.

Das bei der CTC GmbH entwickelte Fertigungsverfahren des Fensterrahmen-Preforms zielt auf die Verwendung von vorkonfektionierten Halbzeugen ab, die einen bauteilangepassten Lagenaufbau und eine hohe Legeleistung erlauben. Die Kompaktierung und Fixierung des Preforms wird in einem Kompaktierungswerkzeug durchgeführt, so dass der Preform bereits die Geometrie des späteren Bauteils bei einem möglichst hohen Kompaktierungsgrad aufweist.

Prototyp CFK-Fensterrahmen

Anschließend werden die Preforms in einem Injektionsverfahren (RTM-Prozess) imprägniert und in einer thermalölbeheizten Presse ausgehärtet. Bei der Konstruktion des RTM-Werkzeugs wurde darauf geachtet, dass während des Einlegevorgangs des Preforms die benötigte Kompaktierung erreicht wird.

Anhand des beschriebenen Ablaufs konnten Automatisierungsmöglichkeiten für eine industrielle Serienfertigung von Fensterrahmen-Preforms aufgezeigt werden. Für große Stückzahlen ist eine Automatisierung der gesamten Prozesskette erforderlich, wobei im RTM-Bereich bereits Teillösungen für eine Industrialisierung existieren. Nur mit einer durchgehenden Prozesskette lassen sich größere Stückzahlen zu akzeptablen Kosten fertigen.