Berücksichtigung der Herstellbarkeit bei der Optimierung unkonventioneller Flugzeugstruktur
Bionisch & fertigungsgerecht: Der Einsatz der Topologieoptimierung im Flugzeug-Vorentwurf verspricht hohe Gewichtseinsparungen im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise. Allerdings erschweren die resultierenden, unkonventionellen Anordnungen der Rumpfversteifungen die Auswahl, Auslegung und Fertigung von möglichen Versteifungslayouts. Im DFG-Projekt OptiFee forscht das IFW in Kooperation mit dem Institut für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) der TU Braunschweig an der Entwicklung einer integrierten Methode, die den Einsatz einer Layout-Topologieoptimierung in Kombination mit einer Herstellbarkeitsbewertung im Vorentwurf erstmals ermöglichen will. Das Ziel ist, die Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Strukturmasse, Herstellkosten und Herstellbarkeit von nicht detailliert auskonstruierten Versteifungslayouts zu verstehen.
Der Drang zur Effizienzsteigerung hat den Einsatz von leichtgewichtigen, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) vorangetrieben und so den jahrzehntelang eingesetzten Werkstoff Aluminium bei den neuesten Verkehrsflugzeugen in immer mehr Bereichen ersetzt, z.B. für die Rumpfhülle. Als Hauptstruktur des Verkehrsflugzeuges nimmt die Rumpfhülle einen Großteil der angreifenden Kräfte auf und ist aus diesem Grund mit zahlreichen Quer- und Längsversteifungen verstärkt. Die Anordnung dieser Quer- und Längsversteifungen in der klassischen Stringer-Spant-Bauweise hat sich allerdings seit den Anfängen der Luftfahrt kaum gewandelt.
Für den Hochleistungswerkstoff CFK stellt diese Anordnung jedoch nicht die belastungsgerechte Bauweise dar, denn so kann die volle Leistungsfähigkeit des Werkstoffes, die bei Belastung in Faserrichtung erreicht werden würde, nicht ausgenutzt werden. Unter Zuhilfenahme eines computerbasierten Verfahrens, der Topologieoptimierung, kann das Versteifungslayout an lokal unterschiedliche Lasten angepasst werden. Die darauffolgenden Entwicklungsschritte, wie die Prüfung der Herstellbarkeit, Auswahl des Fertigungsverfahrens und Kalkulation der Kosten, sind dann jedoch noch nicht berücksichtigt. Fließen alle Aspekte nacheinander in den Entwurf ein, gibt es am Ende große Unterschiede zwischen dem strukturell optimalen und dem effektiv herstellbaren Entwurf.
In der herkömmlichen Auslegung muss ein Layoutkonzept dann in vielen, rechenintensiven Iterationsschleifen angepasst werden, bis belastbare, ausreichend detaillierte Strukturdaten erzeugt werden können. Wegen der hohen Komplexität eines Flugzeugrumpfes bedeutet eine Abweichung von der klassischen Bauweise daher unverhältnismäßig hohen Auslegungsaufwand. Unkonventionelle Konzepte haben bei dieser Vorgehensweise somit wenig Aussicht auf Erfolg.
Das Vorhaben OptiFee folgt der Forschungshypothese, dass unkonventionell versteifte Strukturen auch ohne eine detaillierte konstruktive Ausgestaltung hinsichtlich Masse, Herstellkosten und Herstellbarkeit bewertbar sind. Somit soll der Einsatz einer Layout-Topologieoptimierung erstmals im Flugzeug-Vorentwurf möglich werden. Die Projektpartner arbeiten dafür an einer zweistufigen Methode, die verschiedenste Versteifungslayouts parallel bewertet und vergleicht. Die sonst sequenziell ablaufenden Auslegungsschritte, wie die Anforderungsdefinition, Konzeptentwicklung, strukturmechanische Auslegung, Prozesskettenentwurf und Kostenbewertungen werden so in einer Gesamtmethode integriert.
Das IFW befasst sich in dem Projekt insbesondere mit der Herstellbarkeitsanalyse und der Prozesskettenauslegung. Die Herstellbarkeit wird bereits in der frühen Konzeptphase für eine Vielzahl von variierenden Versteifungslayouts überprüft, um nicht fertigbare Layouts von Anfang an auszuschließen. Das bietet den Vorteil, dass nur vielversprechende Konzepte die darauffolgenden rechenintensiven Analysen durchlaufen.
Voraussetzung für eine präzise Herstellbarkeitsanalyse ist ein genaues Verständnis der Möglichkeiten und Prozessgrenzen der untersuchten Fertigungstechnologien. Das IFW erarbeitet daher eine globale Bewertungsmethode für die Herstellung von Strukturen aus faserverstärktem Kunststoff. Für jede Rumpfversteifung kann diese Bewertungsmethode beispielsweise die für die berechneten Strukturbelastungen optimale Geometrie ermitteln, die ein bestimmtes Fertigungsverfahren in der Lage ist herzustellen. Zur experimentellen Validierung der Methode werden, neben Prozesssimulationen, die am Standort Stade verfügbaren, additiven Fertigungstechnologien des Automated Fiber Placements (AFP) und des kontinuierlichen Nassdrapierens (CWD) herangezogen.
Im späteren Verlauf der Bewertungsmethode wird dann der Fertigungsablauf für die verbleibenden Versteifungslayout konkretisiert. Hierfür forscht das IFW an einer umfangreichen Prozesskettenauslegung für faserverstärkte Kunststoffe. Neben der Prüfung der Herstellbarkeit werden Qualitätsparameter, Prozesszeiten und -kosten für jedes Layout bestimmt, um die wirtschaftlichste Prozesskette eines Layouts zu bestimmen. Dabei werden unterschiedliche Fertigungs- und Fügetechnologien sowie die Reihenfolge der Prozessschritte miteinander verglichen.
Am Ende können die verschiedenen Versteifungslayouts dann in Hinblick auf ihre Strukturmasse, die Herstellkosten und -zeiten sowie Qualitätsparameter verglichen werden. Zusätzlich wird die Integration eines KI-Ansatzes überprüft, mit dem der Bewertungsablauf unterstützt werden könnte. Die Erkenntnisse der OptiFee-Bewertungsmethode sollen helfen, ein besseres Verständnis der Zusammenhänge bei der Auslegung und Auswahl von FVK-Strukturen zu erlangen und können außerdem für die Aufdeckung von Optimierungspotenzialen herangezogen werden.
Kontakt:
Für weitere Informationen steht Ihnen Tim Tiemann, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 (0) 4141 - 77638 – 207 oder per E-Mail unter [email protected] gern zur Verfügung.