31. März 2021 – Vor kurzem erfolgte der Startschuss für das Horizon 2020-Projekt SUSTAINair. Es hat zum Ziel, im Sinne eines kreislaufwirtschaftlichen Ansatzes Lösungen zur Steigerung der Ressourceneffizienz von Flugzeugen zu identifizieren und zu entwickeln. Gleichzeitig sollen Abfall und Materialkosten über den gesamten Lebenszyklus des Flugzeugs reduziert werden. Die COVID-19-Krise hat den Flugsektor in Unsicherheit gestürzt, da viele Flugzeuge früher als erwartet aus dem Verkehr gezogen wurden. Trotzdem bleibt die Förderung des ökologischen Wandels der Luftfahrtindustrie nach der Pandemie ein strategisches Ziel der europäischen Regierungen, nicht zuletzt, da dies ein wesentlicher Beitrag zur Konsolidierung des Sektors sein kann.

Das von der EU geförderte Forschungsprojekt zielt darauf ab, die gesamte Wertschöpfungskette im Einklang mit dem Circular Economy Action Plan der Europäischen Union umweltverträglicher zu gestalten und neue Standards für die Luft- und Raumfahrtproduktion zu setzen. Sektorübergreifende Synergien – beispielsweise zwischen dem Automotive-Bereich und der Luftfahrt – sollen so besser genutzt werden. Basierend auf dem Ansatz der Kreislaufwirtschaft bietet SUSTAINair eine Grundlage für einen kosteneffizienteren, kohlenstoffarmen Betrieb und bekämpft gleichzeitig den Anstieg von Ressourcenverbrauch, Abfall und Emissionen. Nicht zuletzt aus diesem Grund wird SUSTAINair von der Future Sky Forschungsinitiative der Association of European Research Establishments in Aeronautics (EREA) unterstützt.

Europäische Zusammenarbeit unter der Leitung des AIT Austrian Institute of Technology

SUSTAINair startete im Januar 2021, hat eine Laufzeit von 3,5 Jahren ist mit einem Budget von fünf Millionen Euro ausgestattet. Das hochkarätige Konsortium besteht aus elf europäischen Forschungs- und Industriepartnern. Koordiniert wird das Projekt vom Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen, einem Tochterunternehmen von Österreichs größter außeruniversitären Forschungseinrichtung, dem AIT Austrian Institute of Technology.

Jürgen Roither, Research Engineer am LKR und SUSTAINair-Projektleiter: “SUSTAINair adressiert alle Phasen der Wertschöpfungskette von Flugzeugkomponenten, vom zirkulären Design über die Herstellung, Wartung und Reparatur bis hin zur Montage und zum Recycling. Die Expertise und mannigfaltige Kompetenz der Projektpartner bilden die Grundlage für den Erfolg unserer Forschungsarbeit.“

Roither fügt hinzu, dass Materialinnovationen im stark regulierten Luftfahrtsektor zertifiziert werden müssen, um abheben zu dürfen. Daher holte sich das SUSTAINair-Konsortium Unterstützung bei der European Union Aviation Safety Agency (EASA), die vom EASA Senior Research Coordinator, Willy Sigl, geleitet wird.

“Die Beiträge der EASA sollen die Markteinführungszeit neuer innovativer Produkte und Geschäftsmodelle verkürzen und ein hohes Maß an Sicherheit und Umweltschutz ermöglichen. Die EASA unterstützt daher ausgewählte Forschungsprojekte wie SUSTAINair in beratender Funktion zu Aspekten der Zertifizierung, Regulierung und Sicherheitsbewertung”, so Sigl.

 Faserverbundspezialist INVENT GmbH beteiligt sich am Konsortium

Die INVENT GmbH aus Braunschweig arbeitet im SUSTAINair Projekt als anerkannter Leichtbau-Spezialist für innovative Faserverbundtechnologien der Branchen Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Automotive, Schienenfahrzeuge und Schiffbau mit.

Seit 1996 entwickelt und produziert die INVENT GmbH als EN 9100 sowie Nadcap zertifiziertes Unternehmen hochpräzise Strukturkomponenten, von der ersten Idee bis zur Serienfertigung.  Dieses technologische Know-how sowie deren Fertigungseinrichtungen werden im Rahmen des Projektes weiterentwickelt und genutzt, um kosteneffiziente Kreislaufwirtschaftsansätze für Faserverbundwerkstoffe zu erreichen.

Die enge Verbindung von INVENT mit der Hightech-Luftfahrtbranche ermöglicht es dem Unternehmen, zu einer Reihe von hochwirksamen Aktivitäten innerhalb des Projekts beizutragen. Die Entwicklung von formvariablen Tragflächen (morphing), Integrationstechnologien für Sensorik und eine neuartige Wiederverwendung von Produktionsabfällen, um nur einige zu nennen. INVENT spielt eine Schlüsselrolle bei der Koordination und Komponentenherstellung für die Demonstration der in SUSTAINair entwickelten Technologien. Die grundlegenden Technologien des Fügens, Design der Schnittstellen und der Technologien zur Metallbearbeitung werden auf komplexere gemeinsame Demonstratoren übertragen. Die Demonstratoren beinhalten Sensorintegration für SHM und werden hergestellt, getestet und evaluiert, um die Erreichung der Projektziele zu validieren.

“Das SUSTAINair-Projekt wählt einen ganzheitlichen Ansatz, um das Konzept der Kreislaufwirtschaft auf den Luftfahrtkontext zuzuschneiden. Das macht das Projekt einzigartig und birgt das Potenzial für eine echte und nachhaltige Wirkung, nicht nur für die Umwelt und die Industrie, sondern auch in Bezug auf die Standardisierungspolitik”, fasst Marc Joulian treffend zusammen, SUSTAINair-Projektleiter bei INVENT.

Verbesserung des Buy-to-Fly-Verhältnisses

Das Konzept der Kreislaufwirtschaft verfolgt den Ansatz, das Potenzial vorhandener Ressourcen bestmöglich auszuschöpfen, indem sie so lange wie möglich in Gebrauch bleiben und so ihren Gesamtwert über den Lebenszyklus hinweg erhöhen. Die Nachfrage der Luft- und Raumfahrt nach hochwertigem Material geht typischerweise mit großen Mengen an Abfall während des Herstellungsprozesses einher. Dies gilt sowohl für Metalllegierungen als auch für Verbundwerkstoffe. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem nachteiligen Buy-to-Fly-Verhältnis, der Materialnutzungsgrad liegt oft nur bei 15 bis 20 Prozent.

Die neuartigen Up- und Recycling-Methoden jedoch, die im Rahmen von SUSTAINair sowohl für Metall- als auch für Verbundwerkstoffe in der Luftfahrt entwickelt werden, können zu einer erheblichen Verringerung der Abfälle beitragen, die während des Herstellungs- und End-of-Life-Prozesses entstehen. Upcycling-Lösungen werden für duroplastische Karbon- und Glasfasermaterialien sowie für thermoplastische Hochleistungsverbundwerkstoffe entwickelt.

SUSTAINair-Koordinator Roither erläutert, dass das Projekt darauf abzielt, Near-Net-Shape-Komponenten (Bauteile, die in Größe, Masse und Form möglichst nahe am Endprodukt gefertigt werden) für die Luftfahrtindustrie zu entwickeln, um das Buy-to-Fly-Verhältnis auf nahezu Eins zu reduzieren. Das ist zwingend erforderlich, wenn mehr Material entlang der Wertschöpfungskette genutzt als weggeworfen werden soll. Dies wird durch die Verwendung von kürzlich entwickelten nanoeutektischen Aluminiumlegierungen am AIT LKR in Kombination mit fortschrittlichen Druckgusstechnologien erreicht. “Eine solche Verarbeitung gilt in der Automobilindustrie als schnell und effizient. Die im Rahmen von SUSTAINair adaptierte Technik und die entwickelten Materialien werden die Herstellung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrt ebenfalls schnell, effizient und sauber machen”, so Roither.

Neuartige Komponenten für die Luft- und Raumfahrt zur Reduzierung von Gewicht und CO2-Emissionen

Neuartige Metalllegierungen und Verbundwerkstoffe, wie kohlenstofffaserverstärkte Polymere, werden eingesetzt, um Masse zu reduzieren und die aerodynamische Effizienz zu erhöhen. Bereits geringfügige Änderungen an den Materialien oder an der Flugzeugstruktur können einen entscheidenden Beitrag zur Reduktion des Treibstoffverbrauchs und somit der umweltschädlichen Emissionen leisten.

In diesem Sinne wird SUSTAINair nicht nur neuartige Materialien für einen flexiblen Flügel entwickeln, sondern auch Techniken für die Integration von Sensoren in das Material solcher Flugzeugkomponenten. Die Überwachung von Echtzeitdaten ermöglicht es den Betreibern beispielsweise, die Flugroute bei Bedarf anzupassen, was zu einem geringeren Treibstoffverbrauch führt, während gleichzeitig die Sicherheit und die Zuverlässigkeit der Flugzeugstrukturen erhöht und die Wartungskosten gesenkt werden.

Eine Kombination von Metall- und Verbundwerkstoffen erfordert technologische Lösungen für Füge- und Reparaturvorgänge sowie für zirkuläre Ansätze im End-of-Life-Prozess. “Das Einzigartige an SUSTAINair ist, dass der Konstruktionsprozess so gestaltet wird, dass innovative Techniken entlang der Wertschöpfungskette möglich sind, die dem Material eine längere Lebensdauer verleihen. Mitberücksichtigt werden auch die Demontage am Ende des Lebenszyklus und das Upcycling”, so Chiara Bisagni, Professorin für Aerospace Structures und AIAA Fellow, an der TU Delft, Niederlande. 

Demontageroboter zur Verbesserung der Recyclingfähigkeit

Flugzeuge bestehen aus vielen Bauteilen, die unterschiedlichste Materialeigenschaften aufweisen. Derzeit kommen beim Zusammenfügen der Teile meist Nieten zum Einsatz, die sich nur schwer entfernen lassen. Dies macht die Trennung und damit das effiziente Recycling von Flugzeugkomponenten schwierig und kostspielig bis unwirtschaftlich. Außerdem machen Nieten die Flugzeuge schwerer, was sich wiederum negativ auf den Treibstoffverbrauch auswirkt. Das einschlägige Know-how der Projektpartner im Schweißen und in anderen Verbindungstechniken könnte Nieten letztlich überflüssig machen. Diese Innovation kann jedoch nicht ohne Änderungen an den aktuellen Standards, die von Luftfahrtbehörden wie der EASA vorgegeben werden, eingeführt werden. 

Um die Verwertung konventionell gebauter Flugzeuge zu optimieren, setzt man im Projekt SUSTAINair auf Industrie 4.0-Technologie: So soll ein einen Roboterkopf entwickelt werden, der automatisch Nieten erkennt und entfernt, was eine Legierungstrennung und damit höherwertiges recyceltes Flugzeugmaterial ermöglicht. „Zur Unterstützung der Füge- und Demontagetätigkeiten hat INVENT eine neue Technologie entwickelt, um ein beschädigungsfreies Trennen von geklebten Verbundbauteilen zu realisieren. SUSTAINair gibt uns die Möglichkeit, diese weiterzuentwickeln“ sagt Jesper de Wit, SUSTAINair-Projektleiter bei INVENT

Auf dem Weg zur grünen Luftfahrt

Das SUSTAINair-Konsortium sieht sich als Vorreiter eines kreislaufwirtschaftlichen Ansatzes in der Luftfahrt und unterstützt somit den EU Green Deal und den Flightpath 2050. Gleichzeitig können der Übergang zur zirkulären Luftfahrt und die damit verbundenen technologischen Innovationen ganz wesentlich dazu beitragen, die wirtschaftlichen Auswirkungen der COVID-19-Pandemie in den Industrien entlang der gesamten Wertschöpfungskette für Luftfahrtkomponenten zu überwinden.

Die SUSTAINair-Projektpartner: LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH/AIT Austrian Institute of Technology GmbH (Österreich), Netherlands Aerospace Centre – NLR (Niederlande), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. – DLR (Deutschland), JOANNEUM RESEARCH (Österreich), Johannes Kepler University Linz (Österreich), Delft University of Technology (Niederlande), AEROCIRCULAR (Belgien), INOCON Technologie GmbH (Österreich), INVENT GmbH (Deutschland), Dutch Thermoplastic Components B.V. (Niederlande), RTDS Association (Österreich)

Dieses SUSTAINair-Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung 101006952 gefördert.

 Projekt-Website: www.sustainair.eu 

 

 

Über INVENT
Passion for Composites

Als anerkannter Leichtbau-Spezialist für innovative Faserverbundtechnologien der Branchen Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Automotive, Schienenfahrzeuge und Schiffbau entwickelt und produziert die INVENT GmbH in Braunschweig als EN 9100 sowie Nadcap zertifiziertes Unternehmen seit 1996 hochpräzise Strukturkomponenten, von der ersten Idee bis zur Serienfertigung. Die eigenen Designer und Konstrukteure arbeiten sehr eng mit den unterschiedlichsten Fertigungsspezialisten zusammen. So bieten wir unseren Kunden ein Gesamtpaket aus einer Hand mit Blick auf Design, Fertigungsplanung, Herstellungsprozesse, mechanische Bearbeitung, Fügen und Montage sowie Lackierung und Qualitätskontrolle. 
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Titelbild: SUSTAINair H2020 circular aviation_CREDIT_RTDS Group