Kompositmaterialien:
Reparaturen am schwarzen Gold, Teil 1

Wartung und Instandhaltung von Kompositmaterialien

In der Luftfahrtindustrie gelten sie als das „schwarze Gold": Kompositmaterialien, oft auch Verbundwerkstoffe genannt. Wie ihr Name schon sagt, verbinden sie die positiven Eigenschaften von mehreren verschiedenen Werkstoffen in einem einzigen Material. So besitzen „Composites" oftmals Eigenschaften, die vielen Metallen überlegen sind. Bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit sind viele Verbundwerkstoffe um einiges leichter als das bislang in der Luftfahrt dominierende Aluminium. Außerdem sind sie fast vollkommen unempfindlich gegenüber Korrosion und ermüden auch mit der Zeit viel weniger als manches Metall.

In der Vergangenheit wurden eine ganze Reihe von Verbundwerkstoffen entwickelt, von glas- und aramidfaserverstärkten Kunststoffen (GFK, AFK) bis hin zu verwalzten Aluminium- und Glasfaserplatten (GLARE). Spricht ein Luftfahrtingenieur von Kompositmaterialien, so meint er allerdings meistens carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Diese sind das mit Abstand am meisten in der Luftfahrt verwendete Verbundmaterial und haben mit ihren Matten aus schwarzen Kohlenstofffasern maßgeblich den Beinamen des „schwarzen Goldes" geprägt. In Epoxid oder Bismaleimid getränkt, lassen sich diese Matten schichtweise verlegen und in eine Form bringen, die sie nach der Aushärtung in einem Autoklav-Ofen auch dauerhaft behalten. Während der Anteil solcher Materialien bei Sekundärstrukturen wie Leitwerken und Treibwerksverkleidungen immer mehr zugenommen hat, kommen sie bei Primärstrukturen, beispielsweise im Rumpf, bislang noch kaum zum Einsatz.

Doch mit zunehmendem Einsatz der neuen Werkstoffe im Flugzeugbau nimmt auch die Anzahl der Beschädigungen von CFK-Teilen weiter zu. Im Jahr 2006 traten an den 243 Flugzeugen der Lufthansa-Flotte 1648 Strukturschäden auf. In drei Vierteln aller Fälle hatten mechanische Einwirkungen den Schaden verursacht, beispielsweise bei Kollisionen mit Vorfeldfahrzeugen, Fluggastbrücken oder aufgewirbelten Trümmern auf Start- und Landebahnen. Blitz- und Vogelschläge waren für die meisten übrigen Beschädigungen verantwortlich, aber auch durch Hagel oder Überhitzungen wurden Teile beschädigt. Bei Standardrumpfflugzeugen trat durchschnittlich alle 4600 Flüge ein Schaden an der Rumpfstruktur auf, bei Großraumjets sogar alle 1000 Flüge. 

Schwierige Erkennung von teils schwerwiegenden Schäden

Ob, und wie schwer ein Bauteil aus Verbundstoffen beschädigt wurde, lässt sich im Gegensatz zu Metallteilen oft nur schwer erkennen. Anders als bei Aluminium besteht die Gefahr, dass ein Einschlag nicht von außen erkennbar ist, innen aber einen gravierenden Schaden hinterlassen hat. Dieser wird ohne äußere Anzeichen von ungeschultem Personal oft nicht bemerkt. Auch eine Ablösung von Faserschichten, Delamination genannt, Einschlüsse von Flüssigkeiten oder Schäden an Wabengitterkonstruktionen sind von untrainiertem Personal nicht immer optisch auszumachen. Daher sind sämtliche Mitarbeiter von Lufthansa Technik, die für die Inspektion und Wartung von Kompositstrukturen verantwortlich sind, speziell ausgebildet, um Schäden zuverlässig zu entdecken. Neben technischen Möglichkeiten wie Klopftestverfahren, Ultraschall oder Wärmebilderzeugung werden von den Mitarbeitern aber noch in mehr als 80 Prozent der Beschädigungen an Verbundstoffteilen Sichtkontrollen durchgeführt.

Ist ein Schaden erst entdeckt, muss entschieden werden, ob eine Reparatur aus sicherheitstechnischen und ökonomischen Gründen möglich ist, oder ob das gesamte Bauteil durch ein neues ersetzt wird. Um die oft hohen Kosten eines Neuteils zu vermeiden, entwickelt Lufthansa Technik auch gleichwertige Ersatzteile aus anderen Werkstoffen, in der Vergangenheit beispielsweise eine Fan Cowl Door für das IAE V2500-Triebwerk. Die optimal konstruierte und mit neuen Verfahren gefertigte Cowling aus Alumimium kostet bei gleichem Gewicht und geringerem Wartungsaufwand im Vergleich zur Verkleidung aus Verbundstoff 60 Prozent weniger und ist damit nur unwesentlich teurer als eine Reparatur der vorhandenen Verkleidung.

Für diese Reparatur kommen bei Komposit-Strukturen unterschiedliche Verfahren in Frage. Für eine Überführung in die Werkstatt reicht oft eine provisorische Befestigung mit speziellem Klebeband oder eine Verfüllung mit Epoxidharz. Soll das Bauteil wieder dauerhaft halten, gibt es für Sekündarstrukturen die Möglichkeit, genietete oder geklebte Reparaturen durchzuführen. Bei den Nietreparaturen werden in den meisten Fällen so genannte Doppler aufgenietet, die entweder aus Kompositmaterial oder Metall bestehen. Für Metalldoppler wird meistens Titan anstelle des bewährten Aluminiums verwendet, das sich bei Wärme anders ausdehnt als CFK und so für Verspannungen in der Reparaturstelle sorgen würde. Außerdem könnten Kohlefasergewebe mit Aluminium chemisch reagieren und zu Korrosion führen, die bei der Verwendung von Titan nicht auftritt. Um absolut identische Materialeigenschaften aller Teile zu gewährleisten, werden auch Doppler verbaut, die selbst aus Verbundstoffen bestehen. Diese können je nach Erreichbarkeit der Reparaturstelle entweder schon vorgehärtet aufgenietet oder an Ort und Stelle im so genannten „nassen" Zustand befestigt und anschließend „ambulant" ausgehärtet werden.

Bei geklebten Reparaturen kommen bei Lufthansa Technik unter anderem das so genannte „wet lay up" sowie der Neuaufbau der Struktur mit vorimprägnierten Geweben (Prepregs) zum Einsatz. Beim „wet lay up" wird die schadhafte Stelle zuerst komplett aus dem Werkstück herausgetrennt. Das so entstandene glattflächige Loch wird einseitig mit einem Formwerkzeug verschlossen und dann von der anderen Seite Schicht für Schicht mit neuen harzgetränkten CFK-Matten beklebt. Bei Werkstücken mit Wabenkern wird auch dieser ersetzt, bevor die Schichten aufgetragen werden. Ist eine Seite komplett verschlossen, wird noch eine zusätzliche Lage aufgebracht, die für den Abschluss sorgt, danach wird das Formwerkzeug auf der gegenüberliegenden Seite entfernt. Nun kann das Loch Lage für Lage geschlossen werden. Auch hier kommt abschließend eine Decklage zum Einsatz, bevor die Reparatur mit Heizdecken bei 90 Grad Celsius ausgehärtet wird. Beim Prepreg-Verfahren werden die Produktionsmethoden des Originalteils nachvollzogen und das Bauteil teilweise durch Auflaminieren neu aufgebaut und dadurch wieder flugfähig gemacht.