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Das Gewicht ist vorbei!

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Laut Alvant bieten seine Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe eine deutliche Gewichtsreduzierung des Fahrwerks - unter anderem in den Bereichen, in denen die Hersteller der Herausforderung des reduzierten Gewichts begegnen können.

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Die Luft- und Raumfahrthersteller suchen derzeit nach Möglichkeiten, das Gewicht zu reduzieren, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen, die Produktfähigkeit und -leistung zu erhöhen und gleichzeitig ehrgeizige Ziele in Bezug auf Nachhaltigkeit, Emissionen und Kraftstoffeffizienz zu erreichen.

Ein solches Beispiel ist ein Metallmatrix-Verbundstoff aus Großbritannien. Der Verbundwerkstoffhersteller Alvant hat sich kürzlich mit Safran Landing Systems zusammengeschlossen, um ein zweijähriges Projekt im Wert von 28 Millionen Pfund zu realisieren, das darauf abzielt, das Gewicht der Fahrwerkskomponenten um bis zu 30% zu reduzieren.

Das Projekt mit dem Titel "Large Landing Gear of the Future" soll die traditionellen Materialien für die Konstruktion und Herstellung von Fahrwerksbaugruppen herausfordern, die derzeit stärker und schwerer sind als nötig. Mit einem Anteil von rund 3% am Gesamtflugzeuggewicht wirkt sich das aktuelle Fahrwerk entsprechend negativ auf den Treibstoffverbrauch aus.

Eintreten in die Matrix

Die Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe (AMCs) von Alvant sind eine fortschrittliche Klasse von Verbundwerkstoffen, bei denen das Aluminium mit einem sekundären Hochleistungsmaterial verstärkt ist, typischerweise mit einer langen Faser, einer kurzen Faser oder einem Partikel. AMCs sind in mehreren Varianten erhältlich und werden zur Entwicklung langlebiger Leichtbaukomponenten für raue Umgebungen sowie für den Einsatz in Anwendungen verwendet, bei denen erwartet wird, dass herkömmliche Metalle ihre Leistungsgrenzen erreichen oder überschreiten. Gewünschte Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Dichte können durch Partikelverstärkung mit kontinuierlicher Faserverstärkung (CFR) maßgeschneidert werden, bevorzugt für Anwendungen, bei denen höhere Leistungen erforderlich sind.

Im Vergleich zu unverstärkten Metallen können AMCs eine höhere Festigkeit, eine höhere Steifigkeit, ein geringeres Gewicht, eine bessere Verschleißfestigkeit, einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine bessere elektrische Leitfähigkeit aufweisen - und bieten darüber hinaus mehrere Vorteile gegenüber polymerfaserverstärkten Materialien, wie beispielsweise Kohlenstoffverbundwerkstoffen. Dazu gehören höhere Querfestigkeit und Steifigkeit, ein höherer thermischer Betriebsbereich, bessere Verschleißfestigkeit, höhere Schadenstoleranz, leichtere Reparaturfähigkeit und eine größere Recyclingmöglichkeit. AMCs können mit einem Drittel des Gewichts eine höhere Längsfestigkeit als Stahl bieten. Für raue Umgebungen können AMCs eine höhere Dauerfestigkeit als Stähle aufweisen.

Alvants Beitrag zum Fahrwerksprojekt ist das Produkt AlXal, ein kontinuierlich faserbasiertes AMC. Mit Hilfe eines Zuschusses von 513.000 £ von Innovate UK entwirft, fertigt und testet Alvant eine AlXal-Bremsstange mit einer erwarteten Gewichtsreduzierung von 30 % gegenüber einer gleichwertigen Titankomponente, wobei eine vergleichbare Festigkeit wie bei Stahl erhalten bleibt - Kraftstoffverbrauch und Lärm werden reduziert, während gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessert und die Kosten gesenkt werden.

"Das Projekt zielt darauf ab, neue Materialien und Herstellungsverfahren zu nutzen, um Technologien zu entwickeln und zu demonstrieren, die das Gewicht des Fahrwerks, den Kraftstoffverbrauch und den Lärm reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessern und die Wartungs-, Reparatur- und Betriebskosten senken", sagt Richard Thompson, kaufmännischer Direktor bei Alvant.

"Ein Hauptziel des Projekts Large Landing Gear ist es, so viele technologische Fortschritte wie möglich zu testen und zu demonstrieren", ergänzt Thompson. "Die AMCs von Alvant sind eine nachhaltige Lösung zur Verbesserung der Produktfunktionen. Diese Fahrwerkskomponente ist nur eine von vielen Möglichkeiten, wie AMCs Luft- und Raumfahrtfirmen helfen können, ihre Festigkeit zu erhalten und gleichzeitig das Gewicht zu reduzieren: "Laut Alvant bieten AMCs im Vergleich zu herkömmlichen Materialien eine erhebliche Gewichtsreduzierung, so dass die Hersteller die Herausforderung des reduzierten Gewichts und des Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit und Senkung der Gesamtbetriebskosten meistern können - und sie können eine Rettungsleine für Branchen sein, die immer strengere Markt- und Gesetzesanforderungen erfüllen müssen.

Um Kosten und Komplexität zu beherrschen, müssen Komponenten nicht vollständig aus Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen hergestellt werden. Komponenten können lokal in einem so genannten Hybrid-AMC-Verfahren verstärkt werden, wobei spannungsarme Bereiche vermieden werden, in denen verbesserte mechanische Eigenschaften nicht erforderlich sind, und die Leistung genau dort erbringen, wo sie benötigt wird, wobei AMC-Einsätze auf die größere Aluminiumkomponente aufgebracht werden. Dies begrenzt den Fasergehalt, vereinfacht die AMC-Einsatzgeometrie, senkt die Kosten und erhöht gleichzeitig die Leistung und Leistungsfähigkeit des Bauteils.

Wo Sicherheit und Zuverlässigkeit entscheidend sind, könnten AMCs Anwendungen in Hochdruckdichtungen, Flugzeugfahrwerken und Sitzen finden. Aufgrund ihrer Fähigkeit, extremen Temperaturen standzuhalten, eignen sich AMCs auch für Komponenten in Hochspannungsbatteriesystemen, UAVs und Verteidigungsanwendungen.

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