CMC MATERIALS AND BIOMORPHIC SiSiC FOR ENERGY APPLICATIONS

Ceramic materials offer a high thermal and chemical stability and are therefore potential candidates for high temperature applications in severe environments, where metals can not longer be used. In future energy applications, high process temperatures > 1200 °C are re-quired to increase the efficiency, to lower the fuel consumption, and to decrease the emis-sions. In order to achieve these goals, novel ceramic materials and manufacturing processes for complex structures are under development

Joining Techniques for Fibre Ceramic Structures

This paper shows three different joining methods for fibre ceramic materials. The so called in-situ joining method is an integral part of the manufacturing process for CMC structures via the liquid silicon infiltration (LSI) process. Stiffening elements, local patches within attachment areas, inserts etc. are permanently joined to shell structures, thus enabling highly integrated components to be realised with low manufacturing costs. Mechanical joining methods are required for the attachment of CMC thermal protection systems and the assembly of large structures which can not be manufactured as one part due to the limited size of manufacturing devices (e.g. autoclave, furnaces ). For these cases, two different principles are available. The first method takes advantage of interlocking effects of hardened castable ceramics for permanent joints and the so called ceramic rivet, which has similar properties to metallic rivets, however using only elastic and frictional properties of the CMC basic material. The last joining method presented within this paper deals with the attachment of hot structures to a cold substructure. To solve the problems associated with thermal mismatch, elastic or kinematic attachment systems, well adapted to the thermal expansion behaviour are suitable candidates

Continuous Fibre reinforced Thermploastic Material as an Alternative in High Performance Lightweight Structures

The focus on process improvements in high performance lightweight structures is mainly located on thermoset material. Resin transfer moulding processes have been developed to decrease cost for high performance structures in competition to prepreg material. However, thermoplastic materials, such as CF/PEEK, CF/PEKK or CF/PPS, offer interesting opportunities despite the higher material cost compared to thermosets. This paper shows two examples using continuous fibre reinforced thermoplastic material and the joining processes among themselves as well as to titanium in a hybrid structure design. Cost reduction is demonstrated using vacuum consolidation, special moulds and several welding techniques. The first example is a rudder from the vertical tail plane of a military aircraft. Several manufacturing steps including forming or shaping with flat plates, positioning stringers during vacuum consolidation, welding of ribs and welding of the central spar are shown. A cost statement is given analysing the overall manufacturing process. The second example shows the design study of a hybrid fan blade of an aero engine, made from titanium and CFRP part joined along an extended surface. The fan blade is a newly developed high performance blade to save weight and to increase the pressure ratio per compressor stage, so that one complete compressor stage is obsolete. A newly developed finite element model for combining titanium and CFRP is introduced and the special aspects of draping and consolidation in low cost moulds are shown. Future prospects are the integration of additional functions into the structure like lightning protection, bird impact improvement and combination of short fibre and continuous fibre material. Heated press processes during consolidating or welding are reducing cycle times. Some examples such as the man hole access cover, door frame or suspension arm in automotive application are shown with feasible process cycles

Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Statusbericht 2012: Forschung und Technologie

Die dringlichste Herausforderung unserer Gesellschaft ist der Erhalt unseres Wohlstands im wirtschaftlichen Wettbewerb mit anderen Nationen und unter Reduktion unserer Ressourcen – und des Energieverbrauchs. Sie mündet direkt in die Fragestellung, wie wir die Produkte unseres täglichen Lebens wirtschaftlicher und effizienter herstellen und nutzen können. Speziell für die Luftfahrt und die Raumfahrt bedeutet dies, die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad der Fluggeräte noch stärker als bisher zu erhöhen, ohne an wirtschaftlicher Wettbewerbsfähigkeit zu verlieren. Dieser Zielkonflikt wird direkt in die Entwicklung der Hardware getragen. In diesem Kontext entwickelt das Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung neue monolithische und hybride Lösungsansätze für wirtschaftliche Hochleistungsstrukturen auf der Basis von neuen oder bestehenden Werkstoffen. Die Erwartung der Industrie, dass neue Bauweisen bei ihrem Weg aus den Laboren ihre Herstellbarkeit und Funktionsfähigkeit unter Realbedingungen zu einem Maximum nachgewiesen haben, hat dabei die Forschungsarbeiten gerade im Bereich der Strukturen in den letzten Jahren deutlich verändert. Die Entwicklung von validierbarer Hardware bedarf heute mehr denn je den Einbezug durchgängiger Prozessketten in die wissenschaftliche Arbeit. Sie erfordert die Auslegungsfähigkeit und die dazu geeigneten numerischen Werkzeuge, die in der Prozesskette über die eigene Disziplin hinausgehen. Waren am Institut vor wenigen Jahren reine Faserkunststoffverbund- beziehungsweise Faserkeramiklösungen noch dominant, so treten heute hybride Lösungsansätze unter Einsatz neuer Materialien immer stärker in den Vordergrund. Neue Fragestellungen zum Beispiel zur Verbindungstechnik, zum Grenzflächenengineering und zur Werkstoffkompatibilität tun sich dabei auf. Das Institut entwickelt daher sein Kompetenzprofil in der Bauweisenforschung und zur Strukturtechnologie entlang der relevanten Prozessketten in den Bereichen Verfahrens- und Verbindungstechnik, Produktionstechnik, zerstörungsfreie Prüfung, numerische Werkzeuge und Auslegungsfähigkeit konsequent weiter. Werkstofftechnische Lösungen, speziell für hybride Strukturkonzepte, werden durch die strategische Kooperation mit dem Institut für Werkstoff-Forschung eingebracht. Die Zusammenarbeit mit dem Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik lässt beide Institute nahezu das gesamte Portfolio der Faserverbundkunststofftechnologie abdecken. Über die Werkstoff- und Strukturtechnologie hinaus, baut das Institut gezielt die Partnerschaften mit system- und grundlagenorientierten Instituten des DLR und auch mit externen Partnern aus. Wertvolles Wissen aus der Aerodynamik, der Aeroelastik, der Technik der Luft- und Raumfahrtantriebe und auch der Energietechnik findet so seinen Weg in die prozessorientierte Bauweisen- und Strukturforschung am Institut. Blicken wir auf den erfolgreichen Flug des rückkehrfähigen, experimentellen Raumfahrzeugs SHEFEX oder auf die erfolgreiche Herstellung und virtuelle Zertifizierung von Komponenten für das DLR-Forschungsflugzeug HALO (um nur zwei Beispiele zu nennen), so bestätigt uns das, den eingeschlagenen Weg weiterzugehen