Space-Al-MMC

Ausgangssituation / Motivation

Materialien, welche in Raumfahrtanwendungen eingesetzt werden sollen, müssen hohe Anforderungen in Bezug auf Masse, Stabilität, Festigkeit, Steifigkeit und Strahlungsresistenz erfüllen.

Das Arbeitsumfeld für Space-Werkstoffe unterscheidet sich von terrestrischen Anwendungen deutlich z.B. hochenergetische Partikel, ionisierende Strahlung, Vakuum, große thermische Schwankungen oder schnelle Meteoriten.

Strukturelle Anwendungen im Weltraum erfordern Materialien mit hoher spezifischer Steifigkeit und Festigkeit, die den harten Weltraumbedingungen ohne relevante Degradation standhalten, und gleichzeitig Reduktion von Masse, Platz und Kosten erlauben.

Transportkosten in den Weltraum je kg liegen bei ~€25-30.000,-/kg. Vergangene Forschung am LKR erzielte hoch-performante C-Faser verstärkte Aluminium-Metal Matrix Composites (C-Faser-Al-MMCs) mit Faservolumengehalt von 60%. Es wurden für 0°-MMCs eine spezifische Steifigkeit von 105 GPa/(g/cm³) und eine spezifische Zugfestigkeit von 759 MPa/(g/cm³) erreicht bei gleichzeitigem einem CTE von +1e-6mm/mmK. Aktuell sind nur wenige MMC-Anbieter am Markt-bekannt (MMCC (USA), Materion (USA) bzw. TiSiC (UK) jedoch mit anderen, niedriger performanten MMC-Werkstoff-Systemen). C-Faser-Al-MMC (60%) ist am europäischen Markt nicht verfügbar. Alleinig LKR beherrscht gegenwärtig die Technologie für Platten mit einer max. Dimension von 160 x 66 x 2mm.

Inhalte und Zielsetzungen

• Ziel 1 ist die Steigerung der geometrischen Komplexität von C-Faser Al-MMCs: von kleinen Probenplatten hin zu C-Profilen, hohlen Rundstäben mit 0/90 oder quasi-isotropem Lagenaufbau.
• Ziel 2 ist die Entwicklung eines passenden Verbindungs-konzeptes von Einzelelementen durch Diffussionsschweißen oder faserfreundlich gesetzte Inserts. Diese ermöglicht Fügestellen oder Verbindungen bei minimaler Faserauslenkung bzw. -schädigung in Al-MMCs zu setzen.
• Ziel 3 ist die Steigerung der maximalen Abmessungen auf >350 x 350mm² für Platten. Die Dimensionssteigerung soll durch Transfer des Prozess-Know-hows von Gas-unterstütztem Druckguss-Ofen (P-Caster) auf die LKR-Druckgussanlage ermöglicht werden.
• Ziel 4 ist die Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften in den neuen Geometrien.
• Ziel 5 ist die Demonstration von 3 Breadboard-Modellen durch Verbindung der erzielten Entwicklungen.

Ziele 1-3 tragen zur Steigerung des technischen Reifegrads des Al-C-Faser-MMCs bei (TRL2-> TRL4).

Erwartete Ergebnisse

Im Zuge des erfolgreichen Geometrie-Up-scaling wird es möglich, "komplexere" und "größere" Al-C-Faser-MMC Geometrien mit Inserts zu fertigen und Strukturen wie kinematischen Lagerungen für optische Instrumente, Muffen für Streben sowie Aktuatoren und Antriebe für Space-Landefahrzeuge anzudenken.

Die Entwicklung des Al-C-Faser-MMC Werkstoffsystems in Kombination mit den neuen Geometriemöglichkeiten aus Space-Al-MMC eröffnet die Möglichkeit Komponenten mit Gewicht von nur 1/3tel bis zu einem 1/5tel im Vergleich zu derzeitigen State of the Art-TiAlV64- und TiSiC-Bauteilen zu realisieren.

Projektleitung

LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH

Projektpartner:innen

• RHP-Technology GmbH
• Aerospace & Advanced Composites GmbH

LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH
Braunau am Inn
A-5282 Ranshofen
Web: www.lkr.at