Flugzeug-Wassertanks aus Faserverbund sind leichtgewichtig, aber teuer in der Herstellung. Denn sie härten meist in einer riesigen, beheizten Druckkammer aus, dem Autoklaven. Das Forschungsprojekt AutoTank soll diesen Prozess ohne Autoklav einfacher und effizienter gestalten. Ein wichtiger Baustein dafür kommt aus dem 3D-Drucker: eine Außenschale mit integrierten Kühlkanälen, die den Tank zum Aushärten kontrolliert abkühlt. Das macht die Fertigung schneller, günstiger und nachhaltiger.

Simpel nur auf den ersten Blick

Ob für den frisch zubereiteten Kaffee oder zum Händewaschen, an Bord von Passagierflugzeugen wird viel Wasser benötigt, welches in großen Trinkwassertanks unter der Passagierkabine transportiert wird. Was zunächst nach einem simplen Behälter klingt, ist in Wahrheit ein überraschend anspruchsvolles Bauteil. Und das aus gutem Grund, bedenkt man, dass die Tanks über tausende Flüge hinweg Druck, Vibrationen und ständigen Belastungswechseln standhalten müssen. Sie sollen aber nicht nur das Wasser sicher speichern, sondern dürfen unter keinen Umständen andere Komponenten gefährden. So könnte der kleinste Wasseraustritt größte Folgen haben und die empfindliche Bordelektronik beeinträchtigen oder langfristige Korrosion an Metallteilen begünstigen. Ein dichter, fehlerfreier Tank ist unabdingbare Pflicht.

Leicht, aber teuer

Damit möglichst wenig Gewicht mitfliegt, fertigt die Luftfahrt diese Tanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Das Material macht die Tanks leicht und fest zugleich, wobei die Herstellung aufwendig ist. Vereinfacht dargestellt, wird ein mit Epoxidharz getränktes Fasermaterial (Prepreg) in eine Formschale (das Werkzeug) gelegt und so in die gewünschte Tankform gebracht. Anschließend härtet das Bauteil in einem genau abgestimmten Prozess aus: Erst zieht ein Vakuum die eingeschlossene Luft heraus, dann pressen hoher Druck und hohe Temperatur das Material zusammen, bis es dicht und fest wird.

Die Schwierigkeit liegt im Aushärtungsschritt. Dieser Prozess läuft in einer raumgroßen Druckkammer ab, dem Autoklaven. Ihn über Stunden aufzuheizen und konstant zu temperieren, erfordert sehr viel Energie. Und weil anschließend die gesamte Kammer samt Inhalt wieder abkühlen muss, dauert jeder Durchgang entsprechend lange.

Integrierte Funktionen

Genau hier setzt das Forschungsprojekt AutoTank an. Statt im Autoklaven soll der Tank direkt in einer beheizbaren Formschale aushärten (englisch „Out of Autoclave“, kurz OoA). Innendruck und Vakuum verdichten das Material dabei weiterhin, die enormen Drücke einer raumgroßen Druckkammer entfallen jedoch.

Damit das Bauteil trotzdem gleichmäßig aushärten kann, braucht es besonders gut kontrollierte Bedingungen. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Außenschale des Werkzeugs. Sie entsteht im 3D-Druck, genauer mit einem Verfahren für großformatige Bauteile (Large Format Additive Manufacturing, LFAM). Der große Vorteil liegt darin, dass sich Kühlkanäle direkt in die Schale integrieren lassen. Über sie kühlt das Werkzeug im Prozess kontrolliert ab. Das ist die Voraussetzung, um auf den Autoklaven zu verzichten. Zudem lässt sich eine gedruckte Schale vergleichsweise einfach an jede Tankvariante anpassen.

Ein Baustein für nachhaltigeres Fliegen

Die gedruckte Außenschale entwickeln die Ingenieur:innen der ZAL GmbH. Im Projekt AutoTank untersuchen sie, welche Funktionen sich in die neue Formschale integrieren lassen.

Bis zum fertigen Tank sind noch einige Fragen offen:

• Welches Druckmaterial hält den Temperaturen am beheizten Werkzeug dauerhaft stand, ohne sich zu verziehen?
• Lässt sich der Prozess durch gezieltes Abkühlen und eine isolierende Schale noch effizienter gestalten?
• Muss die gedruckte Schale zusätzlich eine lasttragende Funktion übernehmen, um den im Inneren herrschenden Prozessdrücken standzuhalten?

Gelingt es, diese Herausforderungen zu lösen, hat der Prozess das Potenzial, auf viele weitere Bauteile übertragen zu werden und so zu mehr Nachhaltigkeit in der Luftfahrt beizutragen.

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