Die zivile Luftfahrtindustrie ist eine der anspruchsvollsten und komplexesten Branchen überhaupt. Die heutigen Hersteller und Betreiber von Verkehrsflugzeugen müssen eine komplexe Kombination aus wirtschaftlichen, technischen, sicherheitstechnischen und ökologischen Anforderungen bewältigen, um langfristig geschäftlichen Erfolg zu erzielen.
Flugzeugstrukturen sind ein wesentlicher Bestandteil dieser Komplexität. Neben der Erfüllung präziser struktureller Anforderungen müssen Flugzeugstrukturen auch Vorgaben hinsichtlich Kosten, Herstellbarkeit, Langlebigkeit und Umweltverträglichkeit erfüllen. Auch Innenausstattungskomponenten müssen strenge Vorschriften hinsichtlich Entflammbarkeit und Wärmeabgabe einhalten.
Sandwich-Flugzeugstrukturen mit leichten Wabenkernen aus Nomex® Kevlar® haben sich in der Branche seit Jahrzehnten etabliert. Wie unten dargestellt, kommen diese Strukturen im gesamten Flugzeug in großem Umfang zum Einsatz, von weniger anspruchsvollen Innenbauteilen bis hin zu hochbeanspruchten Außenstrukturen. Solche Bauteile sind die bekanntesten mit der höchsten Struktureffizienz, da sie die erforderliche mechanische Leistungsfähigkeit bei möglichst geringem Gewicht bieten.
Vorteile der Gewichtsreduzierung
Gewichtsreduzierung bietet zahlreiche Vorteile. Der offensichtlichste ist die Kraftstoffeffizienz. Um ein leichteres Flugzeug in der Luft zu halten, ist weniger Antriebskraft erforderlich, was folgende Vorteile mit sich bringt:
- Geringerer Kraftstoffverbrauch und geringere Kosten
- Erhöhte Nutzlast
- Größere Reichweite
Ein weiterer Vorteil der Gewichtsreduzierung ist die Nachhaltigkeit. Die weltweite Luft- und Raumfahrtindustrie verursacht rund 2 % aller CO₂-Emissionen (www.iea.org/reports/aviation). Die Verringerung des ökologischen Fußabdrucks der Luftfahrt ist entscheidend für eine nachhaltigere Branche.
Ein geringerer Treibstoffverbrauch führt zu geringeren Betriebsemissionen. Da über 99 % der CO₂-Emissionen eines Flugzeugs während seines gesamten Lebenszyklus im Betrieb entstehen, ist die Gewichtsreduzierung einer der unmittelbarsten und am leichtesten umsetzbaren Wege zur Verringerung des CO₂-Fußabdrucks eines Flugzeugs, was über seine Betriebsdauer von 20 bis 30 Jahren einen enormen Nutzen mit sich bringt.
Diese Vorteile beschränken sich nicht nur auf konventionelle Flugzeuge; auch neue elektrische AAM- (Advanced Air Mobility) bzw. eVTOL-Flugzeuge profitieren davon. Man könnte argumentieren, dass Gewichtsreduzierung für AAMs sogar noch entscheidender ist, da die Energiedichte von Batterien um mehr als eine Größenordnung geringer ist als die von flüssigen Kohlenwasserstoffen, was die Reichweite und die Nutzlast (d. h. die Anzahl der Passagiere oder der Fracht) erheblich einschränkt. Jedes eingesparte Kilogramm Gewicht ist für die Wirtschaftlichkeit von AAM von entscheidender Bedeutung.
Kevlar® , 1 mil, Papier
Als Reaktion auf den Bedarf an weiterer Gewichtsreduzierung Arclin ein ultraleichtes Produkt Kevlar® auf den Markt gebracht, das in Sandwichkonstruktionen für die Innenausstattung von Flugzeugkabinen zum Einsatz kommt – insbesondere in Verkehrsflugzeugen und AAMs. Da die Innenausstattung der Passagierkabine etwa 15 % des Gesamtgewichts eines Flugzeugs ausmacht, trägt die Gewichtsreduzierung bei den Innenausstattungsteilen direkt zur Senkung des Treibstoffverbrauchs bei und sorgt gleichzeitig für niedrigere Betriebskosten, einen geringeren CO₂-Fußabdruck sowie eine größere Reichweite und/oder Nutzlast.
Der Einsatz modernster Verbundwerkstoffe ist oft mit hohen Kosten verbunden, da sich diese Materialien noch in einer frühen Phase ihres Lebenszyklus befinden und nur in geringen Mengen hergestellt werden. Kevlar® 1-mil Kevlar® Arclin wird jedoch wie die anderen N636-Typen in bestehenden kommerziellen Produktionsanlagen hergestellt. Wichtig ist, dass keine wesentlichen Änderungen am Fertigungsprozess der Bauteile erforderlich sein sollten.
Ultraleichter 5-kg-Seitenwand-Demonstrator
Ein aktuelles Projekt zwischen Arclin deutschen Composites Technology Center GmbH (CTC, ein Airbus-Unternehmen) und Euro-Composites, einem weltweit tätigen Hersteller von Wabenstrukturen für die Luft- und Raumfahrt, belegt die Vorteile von Kevlar® 1-mil-Papier.
Das Hauptziel des Projekts bestand darin, das Gesamtgewicht einer typischen Seitenwandverkleidung für ein zweistrahliges Flugzeug zu reduzieren. Eine Seitenwand besteht in der Regel aus einem Wabenkern, der auf beiden Seiten mit Laminaten aus Phenol-Glas-Prepregs beschichtet ist, sowie einer Dekorfolie auf der sichtbaren Oberfläche der Verkleidung.
Neben diesen erheblichen Gewichtsersparnissen sinken nicht nur die Implementierungskosten am Produktionsstandort, da der Prozess unverändert bleibt, sondern es werden auch die mit der Teilevorbereitung verbundenen Arbeitskosten deutlich reduziert: Seitenwandteile in Originalgröße aus Kevlar® weisen ein deutlich geringeres Durchscheinen des Wabenmusters auf, sodass vor dem Aufbringen der Dekorfolie nur minimale manuelle Oberflächenvorbereitungen erforderlich sind.