Alte und neue Biowerkstoffe in der unbemannten Luftfahrt

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Leichtwerk Research GmbH; Dr.-Ing. Martin Pietrek, Hermann-Blenk-Str. 38; D-38108 Braunschweig, Tel: +49 531 213602 11; E-Mail: m.pietrek@leichtwerk-research.de

Alte und neue Biowerkstoffe in der unbemannten Luftfahrt

FNR-Seminarreihe „Bioverbundwerkstoffe – Chancen und Herausforderungen“, 09.02.2022

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Founded 1995 Stuttgart 15 Employees

L e i c h t w e r k –U n t e r n e h m e n s g r u p p e

Founded 2018 Braunschweig 15 Employees

Founded 2020 Braunschweig Industrialization HAPS Founded 1996

Braunschweig 60 Employees

DOA-No. 21J.332

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Portfolio Zulassungspflichtige Luftfahrt

• Entwicklung und Bau von bemannten und unbemannten Flugsystemen

• Segelflugzeuge, General Aviation, Forschung und Experimental

• Strukturanalyse, Avioniklösungen, alternative Antriebe

• Office of Airworthiness und Zulassung, Part 21

• Prüfeinrichtungen, Testverfahren (Boden, Flug)

• Prototypenbau und Windkanalmodelle

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Portfolio Zulassungsfreie Luftfahrt

• Entwicklung und Bau von UAS

• Industrie, Forschung, Experimental

• Innovative und nachhaltige Leichtbaustrukturen

• Flugführungssysteme, Elektronik und Luftraumintegration

• Mensch-Maschine-Schnittstellen, Leitstandsentwicklung

• UAV-Betrieb in allen Kategorien, (EU) 2019/947

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Motivation

• UAS-Designs halbzeuggetrieben

• Konventionelle und faserverstärkte Kunststoffe

• Energieintensiv, fossile und kritische Rohstoffe

• Problematische Wiederverwertbarkeit

• Kostenintensiv

• Strukturmasse optimierbar

Idee

• Multicopter aus nachwachsenden Leichtbaumaterialien

• Ziele:

• Leichtere Strukturen

• Nachhaltigere Bauweisen

• Qualifiziert und industrietauglich

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Projekt HerMes

• Forschungsprojekt, Förderung BMEL, PT FNR

• Gesamtkompetenz im Konsortium

• Entwicklung Multicopterdemonstrator

• Entwicklung nachwachsende Materialien

• Leichtbauwerkstoffe

• Klebstoffe

• Oberflächenschutz

• Erarbeitung Fertigungsprozesse

• Bau und Erprobung Demonstrator

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Konzept Multicopter

• Modular: Quadro-/Octocopter

• Industrieller Serieneinsatz:

• Qualifiziert

• Zuverlässig/Robust

• Breite Anwendung

• Sicher

• Skalierbar: 25 kg +-

• Integrierte Elektronik, PnP

• Ultra-leichte Strukturbauweise

• Detaillierte Strukturanalyse

• Moderne Fertigung

• Nachhaltiger Materialmix

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Traditionell nachwachsend

• Nachwachsende Werkstoffe haben lange Tradition in Luftfahrt

• Holz, Naturfasern

• Sperrhölzer, Gewebe

• Exzellente spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten

• Vorteil bei leichten und moderaten Lastanforderungen

• Gute Verfügbarkeit, günstig

• Tiefes Werkstoffverständnis

• Langlebigkeit

• Einsatz bis heute

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[1] [1]

[3]

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Modern nachwachsend

• Technologischer Fortschritt:

• Höhere Rohstoffqualität

• Günstig

• Umfangreichere Ver- und Bearbeitung

• Moderne Fertigungsmethoden

• Automatisierung

• Entstehung neuer Werkstoffe

• Hybridisierungen

• Größeres Anwendungsspektrum

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Materialmix im Projekt

• (3D)-Furniere als Verbundlaminate

• Flachsfaserverstärkte Duromere (Prepreg, Laminat, Epoxidharz)

• Naturfaserverstärkte Thermoplasten (Baumwolle, Cellulose, PLA)

• Biobasierte 3D-Druckmaterialien (PLA, Lignin)

• (Anteilig) Biobasierte Klebstoffe

• Biobasierte Oberflächenschutzsysteme

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Holzfurnierlaminate

• Ziel: Lastgerechte Nutzung wie FVK

• Standardfurniere und 3D-Furniere

• Buche, Birke

• Analyse Materialdicke und Klebstoffeinfluss

• Strukturmechanische Charakterisierung:

• Zug/Druck/Schub

• Übertragung FVK-Methoden

• Laminatsteifigkeiten mittels KLT

• Laminatfestigkeiten mittels Puck u.a.

• Validierung numerischer Simulation

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Holzfurnierlaminate

• Fertigung Furnierbauteile im Vakuum

• Niedrigschwelliger Prozess

• Geringe Werkzeug- und Arbeitskosten

• Schnell

• Geringerer und allseitiger Pressdruck

• Standardfurnier = „ausgehärteter FVK“

• 3D-Furnier sehr flexibel anwendbar

• Jedes Bauteil verlangt Prozessoptimierung

• Mehrfachkrümmungen in Grenzen möglich aber komplex

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Flachsfaserverstärkte Duromere

• Prepreg und (Hand-)laminate, Epoxy

• Analyse Faserverteilung und FVG

• Strukturmechanische Charakterisierung:

• Zug/Druck/Schub

• Konditionierung Hot/Wet

• Einfluss Oberflächenschutz

• Validierung Simulation

• Fertigung Halbzeuge und Bauteile

• Materialhybride, z.B. Flachs-Balsa-Sandwich

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Naturfaserverstärkte Thermoplaste

• Fertigung Spritzgussbauteile für Multicopter

• Biobasierte Rohstoffe

• PLA

• 20 % Baumwoll- oder Cellulosekämmlinge

• Bestimmung mechanischer Kennwerte:

• Zugeigenschaften

• Kerbschlagzähigkeit

• Deutliche Erhöhung der Steifigkeiten und Festigkeiten ggü.

unverstärktem PLA

• Teilweise Reduktion der Zähigkeit

• Konstruktion und Fertigung Nutzlastanbindungspunkte

• Hochbelastet

• Eingeschmolzene Metallgewindeeinsätze

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Klebstoffe

• Untersuchung verschiedener Systeme (anteilig biobasiert)

• Dispersionsklebstoffe

• 1K-PU & PUR-Hotmelts

• Benchmark gegen traditionelle und konventionelle Klebstoffe

• Erprobung verschiedener Auftragsmethoden (Hand, Filme, Pistolen)

• Prüfung mechanischer Klebfestigkeiten auf verschiedenen Substraten

• Validierung numerischer Strukturanalysen

• Projektziel:

• Erhöhnung des Anteils biobasierter Stoffe

• Stärke

• Proteine

• Ligninderivate

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Oberflächenschutzsysteme

• Untersuchung verschiedener Systeme (vollständig biobasiert)

• Basis z.B. Leinöle, Rizinusöle, Orangenterpene, Schellack, Carnubawachs

• Lacke, Lasuren, Öle/Wachse

• mit und ohne Pigmentierung

• Erprobung verschiedener Auftragsmethoden

• Bewitterung:

• Künstliche Bewitterung in Anlehnung an DIN EN 927-6

• 12-monatige natürliche Bewitterung gemäß DIN EN 927-3

• Temperatur, Feuchtigkeit, UV

• Beurteilung:

• Beständigkeit, insb. Rissbildung

• Oberflächenhärte

• Verarbeitung und Verfügbarkeit

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Anwendung Multicopter

• Anwendungsgerechter Materialmix, z.B.

• Verstärkung Motorarm mit NFK

• NFK-Spante/Furnierhaut

• Lasteinleitung mittels Spritzgussbauteile

• Struktursimulation mittels FEM

• Verformungsverhalten

• Festigkeitsanalyse

• Beul- und Schwingungsanalyse

• Entwicklung Fertigung und Montage

• Verbindung Bauteile versch. Materialien

• Effekte wie Feuchtigkeit, Temperatur

• Ermöglichung Serienproduktion

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Leichtwerk Research GmbH Dr.-Ing. Martin Pietrek

Hermann-Blenk-Str. 38 D-38108 Braunschweig Tel: +49 531 213602 11

Email: m.pietrek@leichtwerk-research.de

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

[1] https://catalog.archives.gov/id/89425

[2] https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Robin_DR400?uselang=de#/media/File:Robin_Light_Aircraft_-_Flickr_-_mick_-_Lumix.jpg, CC BY 2.0 [3] https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Pitts_S-1_Special?uselang=de#/media/File:The_Trig_Aerobatic_Team_(14525197560).jpg, CC BY 2.0 [4] https://www.auro.de/de/aktuelles/presse/pressebilder/Diverse-Fotos-AURO/AURO_Rohstoffe2014.jpg

[5] https://www.danzer.com/images/products/_folderandflyer/Danzer%20Custom%20Solutions.pdf

[6] https://www.wki.fraunhofer.de/de/fachbereiche/hnt/biocomposites/jcr:content/contentPar/sectioncomponent/sectionParsys/

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