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Der Himmel ist die Grenze für AMCs

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Während die Luft- und Raumfahrthersteller weiterhin nach neuen Wegen suchen, um die Produktfähigkeiten und -leistung zu steigern und gleichzeitig ehrgeizige Ziele in Bezug auf Treibstoffeffizienz und Nachhaltigkeit zu erreichen, befasst sich Richard Thompson, kaufmännischer Direktor von Alvant, mit den wachsenden Vorteilen, die dem Sektor durch Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe (AMC) geboten werden.

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Gewichtsreduzierung ohne Beeinträchtigung der strukturellen Integrität ist für die meisten technischen Projekte ein Muss, nicht mehr als in der Luft- und Raumfahrtindustrie, wo Gewichtsreduzierungen den Treibstoffverbrauch und die Kohlenstoffemissionen reduzieren können.

Typische moderne Verkehrsflugzeuge haben einen Materialmix (nach Gewicht) aus 50% Verbundwerkstoffen, 20% Aluminium, 15% Titan, 10% Stahl, 5% anderen Materialien. Neben dem Gewicht strebt die Industrie aus Kostengründen, wegen der schwierigen Bearbeitbarkeit und der Umweltauswirkungen des Bergbaus und der Verarbeitung auch eine Verringerung des Titangehalts an.

Während die Industrie vor der großen Herausforderung steht, breite Kriterien zu erfüllen, könnte es dank der AMCs Hoffnung in Form einer Lösung geben. Sie stellen eine fortgeschrittene Klasse von Verbundwerkstoffen dar, bei denen das Aluminium mit einem sekundären Hochleistungswerkstoff verstärkt wird, und eignen sich für Anwendungen, bei denen zu erwarten ist, dass herkömmliche Metalle ihre Leistungsgrenzen erreichen oder überschreiten. AMCs könnten auch in Hochdruckdichtungen, Flugzeugfahrwerken und -sitzen Anwendung finden, wo Sicherheit und Zuverlässigkeit unerlässlich sind.

Zusammenarbeit mit der Industrie

Das wachsende Interesse an AMCs wurde durch Kooperationsprojekte großer Marken bestätigt, wie z.B. das mit der Hochtechnologiegruppe Safran Landing Systems, die kürzlich mit Alvant ein zweijähriges, 28 Millionen Pfund teures Projekt mit dem Titel "Large Landing Gear of the Future" (Großes Fahrwerk der Zukunft) ins Leben gerufen hat, mit dem das Gewicht von Fahrwerken um bis zu 30% reduziert werden soll.

Das Projekt untersucht, wie AMCs traditionelle Materialien bei der Konstruktion und Herstellung von Fahrwerksbaugruppen in Frage stellen können. Derzeitige Fahrwerksysteme sind in der Regel stärker und schwerer als nötig und machen etwa drei Prozent des Flugzeuggewichts aus, mit entsprechenden Auswirkungen auf den Treibstoffverbrauch.

"Das Projekt zielt darauf ab, neue Materialien und Herstellungsmethoden zu nutzen, um Technologien zu entwickeln und zu demonstrieren, die das Gewicht des Fahrwerks, den Treibstoffverbrauch und den Lärm reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessern und die Wartungs-, Reparatur- und Betriebskosten senken", so Thompson.

Der Beitrag von Alvant zu dem Projekt besteht in der Konstruktion, Herstellung und Prüfung einer AMC-Bremsstange mit dem Ziel einer 30-prozentigen Gewichtsreduzierung gegenüber einem äquivalenten Titanbauteil bei gleicher Festigkeit wie Stahl.

"Ein Hauptziel des Large Landing Gear-Projekts ist es, so viele technologische Fortschritte wie möglich zu testen und zu demonstrieren", fügt Thompson hinzu. "Die AMCs von Alvant sind eine nachhaltige Lösung, die die Produktfähigkeiten verbessern. Diese Fahrwerkskomponente ist nur eine der vielen Möglichkeiten, bei denen AMCs helfen können.

One-Shot-Lösung

Eine weitere Innovation von Alvant ist CorXal, ein einzigartiges Hochleistungs-Mehrphasen-AMC, das vom Konzept her einem Sandwichmaterial ähnelt, aber in einem einzigen Schussvorgang hergestellt wird und eine ultrahohe Steifigkeit und eine Dichte ähnlich der von Kohlefaserverbundwerkstoffen bietet.

Alvant arbeitet derzeit mit Luft- und Raumfahrtunternehmen zusammen, um potenzielle Anwendungen dieses Materials zu erforschen. Ein Beispiel dafür ist der Einbau eines einteiligen AMC in die Vorderkante von Flugzeugtragflächen.

Flugzeugflügel sind großen aerodynamischen Kräften und enormen Temperaturschwankungen ausgesetzt und anfällig für Vogel- und Blitzeinschläge.

Es hat sich herausgestellt, dass die bestehenden Materialien, die bei der traditionellen Flügelherstellung verwendet werden, anfällig für eine Verschlechterung der Bindung zwischen der Haut und den Kernelementen sind. Dies kann durch Umweltfaktoren wie Temperatur, eindringende Feuchtigkeit und Verunreinigungen verursacht werden, die sich negativ auf die Integrität der Verbindung auswirken können. Das Ergebnis ist die Tendenz, Komponenten mit übermäßigen Sicherheitsfaktoren zu konstruieren, um diesen potenziellen Abbau auszugleichen.

Aufgrund des One-Shot-Produktionsprozesses von CorXal gibt es keine Bindungsschnittstelle zwischen der Haut und den Kernelementen, stattdessen sorgt eine durchgehende Aluminiummatrix im gesamten Material für ein geschlossenes System. Dies bedeutet, dass aus CorXal hergestellte Teile den Umgebungsbedingungen nicht unterliegen, die erforderlichen strukturellen Eigenschaften erhalten bleiben, die Steifigkeit im Vergleich zu einigen Aluminiumsorten bis zu viermal höher ist und das Gewicht im Vergleich zu einigen Stählen um 40 Prozent reduziert werden kann. Die Verringerung des Flugzeuggewichts wird sich auch entsprechend auf den Treibstoffverbrauch auswirken.

Vorteile von AMCs

AMCs bieten im Vergleich zu herkömmlichen Materialien eine erhebliche Gewichtsreduzierung und bieten Herstellern die Möglichkeit, die Herausforderung des geringeren Gewichts und des geringeren Kraftstoffverbrauchs zu meistern und gleichzeitig die Zuverlässigkeit zu erhalten und die Betriebskosten während der gesamten Lebensdauer zu senken.

AMCs sind insofern einzigartig, als sie in mehreren Varianten erhältlich sind (wobei der metallische Werkstoff mit einem sekundären Hochleistungswerkstoff verstärkt wurde - typischerweise mit einer Langfaser, einer Kurzfaser oder mit Partikeln) und Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Dichte durch Partikelverstärkung mit Endlosfaserverstärkung (CFR) maßgeschneidert werden können. Diese Methode wird für Anwendungen bevorzugt, bei denen eine höhere Leistung erforderlich ist.

Laut Alvant können AMCs im Vergleich zu Stahl eine höhere Festigkeit bei weniger als der Hälfte des Gewichts aufweisen, was bedeutet, dass hochbelastete Komponenten, die in der Regel aus traditionellen Metallen wie Stahl, Titan und Aluminium bestehen, durch leichte, trägheitsarme Teile ersetzt werden können, ohne dass die Gehäusegröße zunimmt.

Wenn AMCs zur Konstruktion langlebiger Leichtbauteile für raue Umgebungen verwendet werden, können sie im Vergleich zu unverstärkten Metallen eine höhere Festigkeit, größere Steifigkeit, geringeres Gewicht, bessere Verschleißfestigkeit, geringere Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine bessere elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

AMCs weisen auch zahlreiche Vorteile gegenüber polymerfaserverstärkten Materialien auf, wie z.B. höhere Querfestigkeit und Steifigkeit, einen höheren thermischen Betriebsbereich, bessere Verschleißfestigkeit, bessere Schadenstoleranz und mehr Möglichkeiten zum Recycling.

"Diese Industrien stehen vor der Herausforderung, geeignete Materialien zu finden, die das Gewicht verringern, gleichzeitig aber auch die Zuverlässigkeit erhalten und die Kosten senken, die ein lebenslanger Betrieb mit sich bringen kann", fügt Thompson hinzu. "AMCs bieten ein aufregendes Potenzial für Industrien, die einen Leistungssprung benötigen, um die immer strengeren Markt- und Gesetzesanforderungen zu erfüllen. Wir befinden uns in den Wachstumsphasen eines Zeitalters der Neuen Materialien, jetzt ist es an der Zeit, dass die Luft- und Raumfahrtindustrie aufhört, sich auf traditionelle Technologien zu verlassen, und den Wandel annimmt"

www.alvant.com

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