Flugtaxis: Können innovative Materiallösungen einen schnellen Start ermöglichen?
Technologische Fortschritte können drei Schlüsselfaktoren für den Erfolg bei der Kommerzialisierung von eVTOLs (elektrisches vertikales Starten und Landen, oft als „Lufttaxis“ bezeichnet) ansprechen. Zwischen der Zukunft und der Gegenwart befindet sich eine Welt im Wandel.
In den letzten Jahren hat die Transportbranche ein wachsendes Interesse und Investitionen in die Entwicklung von inter- und innerstädtischen Lufttaxis (eVTOL-Fahrzeugen) verzeichnet. Heute gibt es weltweit mehr als 250 solcher Projekte, darunter sowohl Start-ups als auch etablierte Unternehmen. Die grundlegende Herausforderung bei den meisten Projekten besteht darin, die richtigen Materialien oder Kombinationen zu finden, um eVTOLs erfolgreich zu kommerzialisieren.

Herausforderung 1: Kompromiss zwischen Leistung und Gewicht
Bei eVTOL-Fahrzeugen ist der Kompromiss zwischen Leistung und Gesamtgewicht eine große Herausforderung. Derzeit sind sie beispielsweise für die Stromversorgung auf Batterietechnologie angewiesen, aber dieser Antrieb kann pro Flugzeug bis zu 500 kg wiegen. Der vollelektrische Antrieb stellt hinsichtlich Leistung und Reichweite einzigartige Herausforderungen dar. Je schwerer das Fahrzeug ist, desto mehr Strom verbraucht es. Daher ist die Gewichtsreduzierung von entscheidender Bedeutung, während gleichzeitig eine stabile Batterieleistung gewährleistet werden muss.

Die Maximierung des Leistungsgewichtsverhältnisses ist ein allgemeines Anliegen der Luft- und Raumfahrtindustrie. Leichtbau ist seit den ersten Flügen im frühen 20. Jahrhundert ein Dauerthema in der Luftfahrtindustrie. Und Victrex befasst sich seit mehr als 25 Jahren mit Leichtbauproblemen mit PEEK- und PAEK-basierten Luft- und Raumfahrtlösungen. VICTREX™ PEEK- und PAEK-Polymerlösungen werden hauptsächlich in Metallersatzlösungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet, da sie 40 % leichter und fünfmal stärker als Metall sind. Teilweise ist es diese Kombination aus hoher Festigkeit und geringem Gewicht, die dazu geführt hat, dass mehr als 20.000 Verkehrsflugzeuge in irgendeiner Form mit Hochleistungspolymeren im Einsatz sind. Und das aus gutem Grund! Es entstehen Teile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie Wärme- und Schalldämmung. Darüber hinaus tragen sie zur Gewichtsreduzierung im Vergleich zu Metall bei.

Herausforderung 2: Reduzierung des Motorengeräusches
Wenn Lufttaxis zu einem beliebten Transportmittel werden sollen, ist Kabinenkomfort ein „Muss“. Daher ist auch der Motorenlärm ein wichtiger Faktor. Passagiere wünschen sich eine ruhigere Fahrt. Um dieses Problem anzugehen, müssen wir von anderen Branchen lernen. Die Automobilindustrie ist ein gutes Beispiel. Die Notwendigkeit, Motoren zu verkleinern oder anzupassen, hat sie „lauter“ gemacht, und die Branche arbeitet hart daran, diese NVH-Probleme (Noise, Vibration, Harshness) zu lösen.

Victrex hat nachgewiesen, dass Zahnräder aus PEEK-Polymer den Lärm in Motoranwendungen um 50 % (3 dB) reduzieren können. Gewicht und Trägheitsmoment werden bei Verwendung von VICTREX HPG™-Zahnrädern im Vergleich zu Zahnrädern aus Gusseisen ebenfalls deutlich reduziert, nämlich um 68 % bzw. 78 %. Weitere potenzielle Vorteile sind eine erheblich höhere spezifische Festigkeit (Festigkeit pro Gewichtseinheit) und Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zur Verwendung von Metall.

Der Ersatz von Metallzahnrädern durch PEEK-Zahnräder erfordert jedoch auch Fachwissen im Zahnraddesign. Mehrere globale Hersteller, darunter ein großer Automobilhersteller, haben unsere Produkte für den Einsatz in ganzen Systemen und nicht nur in Zahnrädern in Betracht gezogen. Jetzt, da die ersten Victrex HPG-Zahnräder auf der Straße sind, werden sie vielleicht zu gegebener Zeit auch Platz über verkehrsreichen Straßen „besetzen“.

Apropos komfortables Reisen: Es ist vielleicht erwähnenswert, dass in heutigen Verkehrsflugzeugen Thermoakustikmatten (TAB) zur Isolierung und Durchbrandschutzbarrieren aus PEEK APTIV™-Folie verwendet werden, um den Passagierraum zu isolieren und das Reiseerlebnis der Passagiere zu verbessern.

Herausforderung 3: Optimierung der Produktionskosten und -geschwindigkeit
Wir erwägen leichte Verbundlösungen für Strukturelemente von eVTOL-Fahrzeugen. Es gibt zwei Polymermatrixoptionen – Duroplaste und Thermoplaste.

Duroplaste erfordern relativ lange Produktionszeiten, müssen in temperaturkontrollierten Umgebungen mit niedrigen Temperaturen gelagert werden und haben eine begrenzte Haltbarkeit.

Im Gegensatz dazu haben thermoplastische Verbundprodukte auf Basis der Hochleistungspolymere PEEK und PAEK ein ähnliches Gewicht wie Duroplaste, bieten jedoch andere Vorteile, darunter:

Schnellere Produktion

Weniger Infrastruktur für die Herstellung erforderlich

Recycelbar

Keine Lösungsmittel verwendet und

Längere Lebensdauer

Diese potenziellen Vorteile beginnen sich entlang der gesamten Lieferkette bemerkbar zu machen. Vor kurzem gab der Lufttaxi-Entwickler Jaunt Air Mobility eine Partnerschaft mit der Triumph Group bekannt, um thermoplastische Verbundteile für sein eVTOL-Programm zu entwickeln.

Die perfekte Kombination aus Leistung und Effizienz
Thermoplastische Verbundwerkstoffe vereinen hervorragende Materialeigenschaften mit Fertigungseffizienz, was am besten bei VICTREX AE™ 250 zum Ausdruck kommt, das der eVTOL-Industrie helfen kann, Kosten und Mengenanforderungen in Einklang zu bringen. VICTREX AE 250 ist ein thermoplastischer Verbundwerkstoff in unidirektionalem Band (UDT). Aufgrund seiner niedrigeren Schmelztemperatur ist er unter den thermoplastischen Verbundwerkstoffen einzigartig. Sein Schmelzpunkt liegt bei 303 °C, während der Schmelzpunkt von PEEK bei 343 °C liegt; seine Glasübergangstemperatur beträgt jedoch 147 °C statt 143 °C; und die Kristallinität beträgt typischerweise 25–30 %, ähnlich wie bei PEEK.

Eine bekannte Verarbeitungsmethode für UD-Tapes ist das automatisierte Faserplatzierungsverfahren, bei dem Verbundteile durch Vervielfachen und Stapeln von UD-Tape-Schichten in einem automatisierten Prozess hergestellt werden, wodurch anspruchsvolle und zeitaufwändige manuelle Vorgänge vermieden werden. Kürzlich veröffentlichte Victrex die Ergebnisse einer gemeinsamen Studie mit Coriolis, die zeigte, wie Layup-Geschwindigkeiten von 60 m/min erreicht werden können – zwei- bis sechsmal schneller als bei herkömmlicher Thermoplast-Technologie – und sich den Geschwindigkeiten von Duroplasten annähern.