JEC Composites Innovation Award 2025 für den Multi Functional Fuselage Demonstrator – MFFD

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Demonstration einer automatisierungsgerechten Thermoplastbauweise für
Flugzeugrümpfe in Paris ausgezeichnet

Der im europäischen Clean Sky 2-/Clean Aviation-Programm unter
maßgeblicher Mitwirkung der Fraunhofer-Gesellschaft entstandene »Multi
Functional Fuselage Demonstrator« (»MFFD«) wurde am 13. Januar 2025 in
Paris für seinen Beitrag zur Zielerreichung in der zukünftigen
Hochratenproduktion und zum nachhaltigen Fliegen mit dem »JEC Composites
Innovation Award 2025« in der Kategorie »Aerospace – Parts« ausgezeichnet.
Airbus als Gesamt-Koordinator bewarb sich im Namen der circa 40
beteiligten internationalen Projektpartner um den renommierten Preis.

Thermoplastbauweise für Hochratenproduktion und Gewichtsreduktion

Mit dem »MFFD« gelang der Fraunhofer-Gesellschaft zusammen mit Partnern im
Clean Sky 2-/Clean Aviation-Projekt »Large Passenger Aircraft« (»LPA«) der
weltweit erstmalige Nachweis, dass die automatisierungsgerechte
Thermoplastbauweise bei Flugzeugrümpfen sowohl zu einer Steigerung der
Produktionseffizienz für die Hochratenproduktion als auch zu einer
erheblichen Gewichtsreduzierung führt, die eine Reduktion der
CO2-Emmission bis zu 540 kg pro Flug ermöglicht. Dabei schöpfen die im
Projekt realisierten 10 Prozent Gewichtsreduktion und 10 Prozent
Kostenersparnis in der Produktion bei weitem noch nicht das volle
Potenzial der Kombination der neuen Bauweise mit einer automatisierten
Fertigung aus.

Automatisierte Montage und Fügeprozesse vorintegrierter Struktur- und
Systemkomponenten

Beiträge der Fraunhofer-Gesellschaft umfassten die Automatisierung der
Montage einer maßstabsgetreuen Oberschale mit einer entsprechenden
Unterschale zu der 8 Meter langen Rumpfsektion des »MFFD« mit einem
Durchmesser von 4 Meter sowie die Entwicklung der dabei verwendeten
Laserschweiß- und Spaltfüllprozesse für thermoplastische CFK-Verbindungen.

Besondere Herausforderungen bei der Automatisierung bestanden in den trotz
der Bauteilgrößen sehr hohen Genauigkeitsanforderungen sowie in der
Beherrschung der hohen Fügekräfte bei limitierten Zugänglichkeiten. Diese
Limitierungen im Inneren des Rumpfs ergaben sich aus dem neuartigen Ansatz
einer weitgehenden Vorintegration der beiden 180°-Schalen mit Struktur-
und Systemkomponenten. Im Vergleich zu der aktuell nach dem Schließen des
Rumpfs durchgeführten Ausrüstung der Kabinen- und Cargobereiche bringt sie
erhebliche Vorteile für eine automatisierte, hochratenfähige Produktion
mit sich.

Schweißtechnisches Fügen von Thermoplasten

Zur Vermeidung von kohlefaserhaltigen Stäuben wurden anstatt der üblichen
Bohr- und Nietprozesse bereits während der Schalenausrüstung verschiedene
Schweißverfahren eingesetzt, womit sich auch die Wahl der neuartigen
thermoplastischen CFK-Werkstoffe begründete.

Im Ergebnis zeichnete sich die Automatisierung der Rumpfsektionsmontage
durch die präzise Positionierung der beiden Halbschalen zueinander und die
individuelle Geometrieoptimierung der Oberschale aus. So wurde
sichergestellt, dass die Fügeflächen der Längsnähte am Rumpf die für die
Schweißverfahren zulässigen Abstandstoleranzen verlässlich unterschritten.
Die von außen während des Schweißprozesses erzeugten hohen Fügekräfte
wurden im Inneren des Rumpfs durch automatisierte Druckeinheiten zur
Vermeidung von Beschädigungen der CFK-Struktur aufgenommen und abgeleitet.

Erst die von einer zentralen Steuerung zeitlich und räumlich präzise
koordinierte und überwachte Kopplung der zum Teil parallel und zum Teil
sequenziell ablaufenden Teilprozesse des Positionierens, Zuführens
zusätzlicher Fügeelemente, Erwärmens, Spaltfüllens und Andrückens
garantierte perfekte Verbindungen. Dementsprechend wurde von den beiden
eingesetzten Schweißverfahren, dem CO2-Laserschweißen für die eine und dem
Ultraschallschweißen für die andere Längsnaht, jeweils eine hohe
Perfektion erwartet und erreicht.

Potenziale für den Flugzeugbau und …

Für die zukünftige Flugzeugproduktion eröffnen die erzielten Ergebnisse
eine ganze Reihe neuer Optionen, die vor allem im Einsatz leichter,
thermoplastischer CFK-Werkstoffe in Verbindung mit werkstoffgerechten
Fügeverfahren bestehen. Anstelle der punktuellen Belastungen der bisher
üblichen Nietverbindungen tritt die flächige Kraftübertragung, die gleiche
Festigkeiten bei geringeren Wandstärken und damit noch weiter reduziertes
Strukturgewicht bzw. höhere Treibstoffersparnis erlaubt. Die
Vorintegration der Schalen vor dem Schließen des Rumpfs erleichtert eine
automatisierte Prozessführung gegenüber dem Status-Quo erheblich, sodass
mit Blick auf die Hochratenproduktion sowohl Zeitbedarf als auch Kosten
noch weiter gesenkt werden können.

… andere Branchen

Zusammen mit den am Rumpfdemonstrator »MFFD« gewonnenen Erkenntnissen wird
die Fraunhofer-Gesellschaft reife Technologiebausteine einer
Industrialisierung durch interessierte Unternehmen zugänglich machen.
Andere Technologien bringt sie in nachfolgende Forschungsprojekte ein, um
eine noch weitergehende Effizienzsteigerung bei noch geringerem
Ressourcenverbrauch in der zukünftigen Produktion zu ermöglichen.
Zielstrukturen sind dabei neben Flugzeugrümpfen auch Seitenleitwerke oder
Tanksysteme für kryogenen Wasserstoff. Außerhalb der Luftfahrtbranche
stehen zudem boden- oder wassergebundene Transportmittel im Fokus eines
Technologietransfers.

Danksagung

Die beschriebenen Ergebnisse wurden von Fraunhofer in Kooperation mit den
Projektpartnern (siehe https://s.fhg.de/7n3y) erarbeitet. Fraunhofer
bedankt sich bei den Projektpartnern für die erfolgreiche Zusammenarbeit
und bei der Europäischen Kommission für die Förderung.