Entwicklung einer neuen Generation von Hubschraubertüren

Im Mittelpunkt des Projekts stehen die Ausarbeitung und teilweise Validierung detaillierter Gesamtkonzepte für eine neue Generation von Seiten- und Hecktüren für Hubschrauber unter Einbeziehung der spezifischen Funktionen. Dadurch soll das Ziel einer Kostensenkung für eine voll ausgestattete Tür erreicht, und gleichzeitig weitere Merkmale, wie u.a. das Komfortempfinden gesteigert werden. 

Im ersten Schritt werden die relevanten Anforderungen und Bewertungskriterien sowohl für die Struktur als auch für die speziellen Türfunktionen erarbeitet und systematisiert. Anschließend werden die technischen Lösungsräume für den strukturellen Aufbau der Tür basierend auf den Einzelkomponenten definiert, sowie den notwendigen Füge- und Integrationsvorgängen. Ein vergleichbares Vorgehen erfolgt für die spezifischen Funktionen, wie der Lärm- und Vibrationsdämmung, Dichtigkeit, Kinematiken, Fenster- und Notausstiegsfunktionalität. Zeitgleich werden diese Lösungsräume in den industriellen Kontext übersetzt und die korrespondierenden material- und prozesskettentechnischen Konzepte erarbeitet.

Für die Einzelkomponenten betrifft dies die angewendeten Werkstoffe und die dazugehörigen Verfahren. Entsprechend ist das Vorgehen für die Verbindungs- und Integrationstechnologien und den speziellen Türfunktionen. Die funktionsübergreifende Prozesskette integriert alle Einzelelemente unter industriellen Aspekten einschließlich der Datenhandhabung im Kontext einer digitalisierten Fertigung. Es werden einzelne Prozesse oder Technologien zur Absicherung bei der Konzeptentwicklung mit möglichst geringem Aufwand validiert.

Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden auf Basis einer detaillierten Bewertung die besten Ansätze zu einem finalen Integrierten Gesamtkonzept zusammengefasst und einzelne aber auch komplexe kritische Elemente durch Umsetzung in Hardware validiert. Das Gesamtkonzept soll als Startpunkt für ein Nachfolgeprojekt mit dem Ziel einer kompletten Umsetzung dienen.

Kriterienenableitung zur Bauteilentwicklung

• Erarbeitung einer bewertbaren Optimierungsstrategie zum Vorgehen im Projekt
• Festlegung relevanter Kennziffern zur Evaluierung des Projektstands
• Unterscheidung verschiedener Zielgrößen zur Gestaltungs-, Prozess- und Materialauswahl

Leichtbaukonzeptentwicklung

• Konzeptionelle Entwicklung und Beurteilung von integrativen und differenziellen Bauteilgestaltungen
• Einarbeitung verschiedener Fertigungsmöglichkeiten unter Betrachtung von Kosten, Komplexität, technologischer Reife und Struktureller Leistungsfähigkeit
• Betrachtung und Vorabschätzung verschiedener integrativer Zusatzelemente entsprechend der Möglichkeiten verschiedener Fertigungsrouten

Konstruktion

• Flächendetaillierung für Optimierung von Verbindungskonzepten, Ergonomie und Aerodynamik
• Intelligente Integration sensorischer und aktorischer Komponenten im Bauteil
• Prozessgerechte Flächengestaltung für thermoplastische und duroplastische Vließ und SMC Werkstoffe

Berechnung

• Aufbau material- und prozessspezifischer Modellierungsmodelle
• Bauteiloptimierung mittels Finite Element Methoden zur Gewichtsoptimierung
• Berechnung unterschiedlicher technologischer Lösungsräume und Materialien als Input für Fertigungsversuche

Testing

• Aufbau einer Teststrategie von Material- und Prozessevaluierung bis hin zur Prüfung komplexer Bauteile
• Evaluierung mechanischer Kennwerte anhand genormter, sowie spezieller Probekörper

Im Projekt Light kann gezeigt werden, dass im Vergleich zu komplett integral gefertigten Endlosfaser-Carbon Bauteilen annäherungsweise gewichtsneutrale und deutlich kostengünstigere Bauteile für Anwendungen in der Luftfahrt realisierbar sind. Dem zu gute kommen vor allem die hohen Grade an Funktionsintegration, welche mit Vlies- und SMC Werkstoffen möglich sind. Hierbei sind prozessbedingt mehr geometrische Möglichkeiten, wie z.B. Rippen möglich, welche als Verbindungspunkte zwischen zwei Schalen so wie als eigenständige Versteifung genutzt werden können. Dadurch und durch hohe mögliche Umformgrade lassen sich Designs finden, welche Schubfelder in Bauteilen auch ohne den Einsatz von Waben realisieren können. 

Ebenso ist durch das isotrope Werkstoffverhalten der Materialien eine robuste Auslegung  möglich obgleich für die Luftfahrt relevante sehr dünne Wandstärken von etwas mehr als einem Millimeter erreicht werden können. Mechanische Tests legen hier nah, dass auch in solchen Bereichen wenig anisotrope fließwegbedingte Strukturen entstehen. 

Durch eine intelligente Aufteilung der Schalen ist zudem die Bestückung der Schalen mit notwendiger Elektronik deutlich erleichtert, während das Wartungsverhalten ebenso verbessert werden konnte. Vor allem aber die Qualitätssicherung ist mit glatten Pressteilen sehr einfach durchführbar. 

Im Allgemeinen konnte unter den gegebenen Lasten und Randbedingungen gezeigt werden, inwiefern eine kluge Abschätzung des möglichen sowie notwendigen Integrationsgrades eines möglichst leicht zu gestaltenden Bauteiles zeigt, dass nicht immer das in der Theorie leichteste Bauteil am Ende in der Zusammenfassung aller Bauteile die leichteste Lösung bietet. Im Rahmen unserer multidimensionalen Optimierung im Projekt LIGHT konnte ein günstigeres, besser funktionierendes Gesamtbauteil gleichen Gewichts entwickelt werden. Dies kann als Grundlage für eine Vielzahl weiterer Entwicklungen, vor allem im Bezug auf die Nutzung von Vlies- und SMC Werkstoffen gesehen werden.

Unser Forschungsvorhaben LIGHT beruht auf der Förderinitiative BayLu25. Im Förderprogramm geht es hauptsächlich um Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsvorhaben grundsätzlich in dem Handlungsfeld „Steigerung der Produktivität und Materialeffizienz in der Luftfahrtindustrie“.

• Projektlaufzeit: Februar 2021 bis Februar 2024
• Fördervolumen für die Universität der Bundeswehr: 259.000€ 

Das Projekt wird gefördert vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie.