Verhängnisvolles Werkstoffproblem

Boeing bewirbt seinen neuen 787 Dreamliner unter anderem damit, dass es sich um das erste kommerzielle Passagierflugzeug der Welt handelt, bei dem wichtige tragende Elemente aus Verbundwerkstoffen statt aus Aluminiumlegierungen gefertigt sind. Der mittelgroße, sparsame Jet, der sich derzeit in Produktion befindet, soll dadurch ein um 20 Prozent reduziertes Gewicht erhalten, was die Effizienz zusätzlich steigert.

Die im Flugzeugbau verwendeten Verbundwerkstoffe bestehen aus mehreren Schichten, die sich aus Kohlefasern und Epoxidharzen zusammensetzen. Sie werden schon seit längerem in Militärmaschinen verwendet, wo Kosten eine geringere Rolle spielen. In Passagierjets finden sich solche Materialien bislang nur in Bereichen wie dem Gepäckraum, wo einige Rahmen aus ihnen bestehen. Boeing muss nun allerdings lernen, wie schwer es sein kann, die Verwendung solcher Werkstoffe zu planen und sie vor allem wirtschaftlich für den kommerziellen Flugzeugbau herzustellen. Billig wird das nicht: Der Konzern musste nun die Einführung des 787 verschieben, weil Teile der aus Verbundwerkstoffen hergestellten Flügelkästen, die das wichtigste tragende Element im Flügel darstellen, in Belastungstests nachgaben. Pat Shanahan, Vizepräsident für das 787-Programm bei Boeing, räumte in einer Telekonferenz vor Analysten ein, dass darin enthaltene Elemente dringend versteift werden müssen.

Der Flügelkasten beginnt ungefähr in der Mitte des Flugzeugs und macht dann rund Zweidrittel der Flügelspannweite aus. Die Hauptkomponente ist mehr als 15 Meter lang und 5 Meter breit. Sie wird von Boeing zusammen mit den japanischen Unternehmen Mitsubishi Heavy Industries und Fuji Heavy Industries entwickelt und gebaut.

Das Problem soll für bereits fertig gestellte Flügelkästen durch die Ergänzung neuer Klammern und anderer Zusatzteile gelöst werden, während man bei frisch gebauten Flügelkästen eine Umgestaltung anstrebt. Die nachträgliche Veränderung sorgt für einige Probleme, weil die neu einzubauenden Komponenten Kabelkanäle tangieren. Fazit: Boeing musste den Liefertermin des 787 Dreamliner um rund sechs Monate nach hinten schieben – aus dem ersten Quartal 2009 wird das dritte.

Das Problem mit Verbundwerkstoffen ist Experten zufolge nicht, dass sie zu schwach wären. Die innere Komplexität macht die Arbeit mit ihnen zu schwierig. Sie bestehen aus Schichten, die jeweils verschieden ausgerichtet sein können. Die Schichten wiederum bestehen aus einzelnen Fasern, die in ihrer Zusammensetzung nicht immer gleich sein müssen. Das macht es kompliziert, die Leistungsfähigkeit der Elemente im Computermodell genau zu testen, bevor sie hergestellt werden.

"Verbundwerkstoffe lassen sich schwerer analysieren als einfache, eher homogene Metalle", meint John Hansman, Direktor des International Center for Air Transportation am MIT. "Man kann nicht jede einzelne Faser in einer Struktur in das Modell aufnehmen. Es gibt stets Vereinfachungen."

Hinzu kommt, dass sich mit der Technologie maßgeschneiderte Formen erzielen lassen. Doch genau diese machen die Modellierung noch schwieriger. "Es gibt viel mehr Gestaltungsmöglichkeiten, was sowohl eine Stärke als auch eine Schwäche sein kann. Man kann einfach viel mehr tun – eine bestimmte Stelle verstärken, eine andere leichter aufbauen." Daraus ergibt sich eine einzigartige Kombination aus der Geometrie und der speziellen Zusammensetzung des Verbundwerkstoffes, die sich nur schwer simulieren lässt.

Boeings mechanische Belastungstests beginnen üblicherweise mit kleineren Referenzteilen. Deren Größe wird dann schrittweise gesteigert, bis die vollständige Struktur an der Reihe ist. Die tragenden Teile gelangen dabei in riesige Hydraulikmaschinen, die das Material biegen und verdrehen, um die Belastungen nachzubilden, die schlimmstenfalls im echten Flug wirken können. Während solcher Tests stellte man auch die Strukturprobleme im Verbundwerkstoff-Flügelkasten fest.

Das Problem ließ sich laut Shanahan auf einen Fehler bei der Modellanalyse zurückführen. Genaue Details wollte er aber nicht nennen. "Wir haben das Problem entdeckt. Nun gehen wir einen Schritt zurück und korrigieren es." Das Vertrauen in die Entscheidung, beim 787 mehr Verbundwerkstoffe einzusetzen, habe Boeing aber nicht verloren. 95 Prozent der mehreren Tausend Tests hätten gute oder besser als vorhergesagte Ergebnisse gezeigt. Bei einer solchen Prüfung hätten die Ingenieure sogar abbrechen müssen, weil die Testmaschinen fast zerstört worden wären, brüstete sich der Boeing-Manager.

David Roylance, Experte für Verbundwerkstoffe und Dozent für Materialwissenschaften am MIT, sieht in den Problemen bei Boeing ein Indiz dafür, dass die Industrie noch immer in einer Lernphase ist, was die Verwendung von Verbundwerkstoffen in kommerziellen Flugzeugen anbetrifft. "Es gibt eine große Anzahl von Dingen, an denen man hier drehen kann, aber es ist eben alles anders als bei Metallen." Dementsprechend dauere es, bis die Ingenieure sich der Technik wirklich näherten. (bsc)