Neue hochmoderne thermoplastische Werkstoffe für die Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) koordiniert das Projekt HITCOMP (High Temperature Characterisation and Modelling of Thermoplastic Composites) im Rahmen des Programms Horizont 2020, das die möglichen Vorteile von thermoplastischen Materialien in der Luft- und Raumfahrtindustrie untersuchen soll.

In der europäischen Luft- und Raumfahrtindustrie werden in vielen Anwendungen typischerweise duroplastische Verbundwerkstoffe mit geringem Gewicht und hoher Leistung verwendet - auch bekannt als Verbundwerkstoffe auf Epoxidharzbasis. Diese Materialien sind jedoch nicht so hitzebeständig wie andere metallische Flugzeugkomponenten, was in Situationen, in denen extreme Temperaturen erreicht werden, die Sicherheit beeinträchtigen kann. In dem Bemühen, das Verhalten der derzeitigen duroplastischen Verbundwerkstoffe gegenüber Hitzeschäden zu verbessern, hat das HITCOMP-Forschungsteam eine Alternative vorgeschlagen: die Verwendung neuer thermoplastischer Werkstoffe auf PAEK-Harzbasis.

Während der Entwicklung des HITCOMP-Projekts hat sich gezeigt, dass Bauteile auf thermoplastischer Basis hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften effizienter sind als duroplastische Verbundwerkstoffe. Eine bekannte Eigenschaft, die sie sehr nützlich macht, ist, dass sie neu gegossen, umgeformt, verarbeitet und recycelt werden können, ohne dass ein zusätzlicher Aushärtungsprozess erforderlich ist, um zu härten und auszuhärten. Darüber hinaus sind sie vielseitiger, preiswerter und umweltfreundlicher als herkömmliche duroplastische Verbundwerkstoffe und haben eine längere Lebensdauer dank ihrer hohen Elastizität - sie können leichter recycelt oder repariert werden - und ihrer Ermüdungsfestigkeit - Verschleiß und Korrosion. Die Einführung dieser Werkstoffe würde zu sichereren und leichteren Flugzeugen führen, die weniger Treibstoff verbrauchen, ihre Energieeffizienz verbessern und ihre Emissionen verringern.

Um Thermoplaste in der Luft- und Raumfahrtindustrie optimal nutzen zu können, muss ihr Verhalten bei Hitze, Feuer und mechanischer Belastung bestimmt werden, da sie bei Überhitzung schmelzen und sich verformen können. Im Rahmen des HITCOMP-Projekts wurde ein Testlabor mit neuen Infrarot (IR)-Thermografietechniken entwickelt, um genaue und eingriffsfreie Messungen der tatsächlichen Temperatur von Materialien während Brandtests zu erhalten. Ziel ist es, virtuelle Tests an Thermoplasten durchzuführen und ihre Leistung in realen Anwendungen mit der von herkömmlichen duroplastischen Verbundwerkstoffen zu vergleichen.

"Der Luft- und Raumfahrtsektor befindet sich im Übergang zu einem stärker elektrisch betriebenen Flugzeug. Dies bringt mehr Wärme- und eventuell auch Feuerquellen mit sich, wodurch die Erwärmung der Struktur zunimmt", erklärt Fernando López, leitender Forscher und Koordinator des HITCOMP-Projekts von der Fakultät für Physik der UC3M. "In diesem Zusammenhang zielt unser Projekt darauf ab, eine innovative Methodik zu entwickeln, die eine ressourcenschonende Charakterisierung von Thermoplasten ermöglicht und die Vorhersage ihres Verhaltens und ihrer Widerstandsfähigkeit bei mechanischer Belastung oder Feuer und hohen Temperaturen verbessert."

Die mit Hilfe der Infrarot-Thermografie durchgeführten Messungen ermöglichen Computersimulationen, die die Tests zur Auswahl dieser Art von Materialien in der Luftfahrtindustrie virtualisieren. Es wird erwartet, dass durch die Einführung dieser Technologie "die Anzahl der obligatorischen Validierungstests, die die Kosten stark erhöhen und die Zulassung dieser Art von Materialien in der Industrie verzögern, erheblich reduziert werden kann." Die IR-Modelle und -Ausrüstungen wurden bereits an das Unternehmen Airbus übergeben, damit es ihre industrielle Anwendung untersuchen kann.

Während des Forschungsprozesses hat das Team auch eine neue Methode entwickelt - inspiriert von den früheren Ergebnissen des Labors für Sensoren, Ferndetektion und Infrarot-Bildgebung (LIR-InfraRed LAB) der UC3M -, die es ermöglicht, die thermischen Eigenschaften dieser Materialien aus der Ferne und ohne Kontakt zu bestimmen.