Innovative, cost-efficient production and design of sandwich components with a lattice structure made of rigid polymer foam

The demand for new aircraft is increasing rapidly. It is expected that there will be a need for up to 38,000 new aircraft, of which 26,700 aircraft (70%) will be in the single-aisle sector alone, i.e. short and medium-haul, in the next 20 years. In order to meet this demand for new aircraft and the increasing number of units, new processes and component concepts must be developed. Fiber composite materials (FVW) have been established in aircraft construction for many years due to their high lightweight construction potential and their functional properties and are continuing to gain more and more importance. Today's manufacturing methods for composite components often have too many individual process steps and therefore do not meet future requirements in terms of cycle time and costs.
The overarching goal of this research project is to develop a cost-efficient design and manufacturing method that enables a significant reduction in production time (by up to 60%) and production steps while retaining the mechanically very efficient lightweight construction of the sandwich construction for secondary structures in aviation. To do this, it is necessary to develop a shot-in technique that does not require an autoclave, as this represents a high cost factor and a bottleneck in the production of large quantities. For this, vacuum infusion using the MARI (Membrane Assisted Resin Infusion) process is chosen. This requires the use of a rigid foam core made of polymethacrylimide (PMI), as honeycomb cores would fill with resin during this process. Structurally relevant foam cores that enable good manufacturing results and are close to aviation approval are currently too heavy with a density of 70 kg/m³ or higher. This is where the innovation and technological leap in this project comes in: a three-dimensional lattice structure is to be foamed as a foam core directly from a tool without machining and used structurally in a modular element design or as a large core in a sandwich.
The aim of this project is to raise the construction method and associated manufacturing technology, foaming a thin-walled 3D lattice structure, closing it with a foam lid, placing the FVW preform and subsequent resin infusion in one shot, from the current TRL 1-2 to TRL 4 (functional proof of the technology on a laboratory scale). In this context, the aim is also to develop a methodology for the design and layout of the lattice structure made of PMI foam. The developed construction method, lattice structure, design methodology and manufacturing technology are to be validated as a demonstrator using the example of a single-aisle spoiler, for which there is a very high demand of 1,650 units per month in the future.

[Original text]
"Innovative, kosteneffiziente Herstellung und Auslegung von Sandwich-Komponenten mit Gitterstruktur aus Polymerhartschaum"
Die Nachfrage nach neuen Flugzeugen ist stark steigend. Man geht von einem Bedarf von bis zu  38.000 neuen Flugzeugen, davon allein 26.700 Maschinen (70%) im Single-Aisle Sektor, d.h. Kurz- und Mittelstrecke, in den kommenden 20 Jahren aus. Um diese Nachfrage an neuen Flugzeugen und die steigenden Stückzahlen bedienen zu können, müssen neue Prozesse bzw. Bauteilkonzepte entwickelt werden. Faserverbundwerkstoffe (FVW) sind im Flugzeugbau seit vielen Jahren aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials und ihrer funktionalen Eigenschaften etabliert und gewinnen weiterhin mehr und mehr an Bedeutung. Heutige Fertigungsmethoden von Composite-Bauteilen weisen häufig zu viele einzelne Prozessschritte auf und kommen somit aus Sicht der Zykluszeit und der Kosten den zukünftigen Anforderungen nicht nach. 
Das übergeordnete Ziel in diesem Forschungsprojekt ist es, eine kosteneffiziente Bauweise und Fertigungsmethode zu entwickeln, die eine erhebliche Reduktion der Produktionszeit 
(um bis zu 60%) und der Produktionsschritte ermöglicht und dabei die mechanisch sehr effiziente Leichtbauweise der Sandwichkonstruktion für Sekundärstrukturen in der Luftfahrt beibehält. Hierfür ist es erforderlich, eine Einschusstechnik zu entwickeln, die ohne Autoklav auskommt, da dieser einen hohen Kostenfaktor und ein Bottle-Neck bei der Fertigung von hohen Stückzahlen darstellt. Hierfür wird die Vakuuminfusion nach dem Verfahren MARI (Membrane Assisted Resin Infusion) gewählt. Diese erfordert den Einsatz eines Hartschaumkerns aus Polymethacrylimid (PMI), da sich Wabenkerne bei diesem Prozess mit Harz füllen würden. Strukturell relevante Schaumkerne, die gute Fertigungsergebnisse ermöglichen und kurz vor der Luftfahrtzulassung stehen, sind derzeit mit einer Dichte von 70 kg/m³ oder höher noch zu schwer. 
Hier setzt die Innovation und der Technologiesprung in diesem Projekt an: eine drei-dimensionale Gitterstruktur soll als Schaumkern ohne maschinelle Bearbeitung direkt aus einem Werkzeug geschäumt werden und in modularer Elementbauweise oder als ein großer Kern im Sandwich strukturell tragend eingesetzt werden. 
Ziel ist es im Rahmen dieses Projektes die Bauweise und einhergehende Fertigungstechnologie, Schäumen einer dünnwandigen 3D-Gitterstruktur, Schließen über einen Deckel aus Schaum, Auflegen der FVW-Preform und anschließende Harzinfusion in einem Schuss, von derzeit TRL 1-2 auf TRL 4 (Funktionsnachweis der Technologie im Labormaßstab) zu heben. In diesem Zusammenhang ist es auch das Ziel eine Methodik für Entwurf und Auslegung der Gitterstruktur aus PMI-Schaum zu entwickeln. Die entwickelte Bauweise, Gitterstruktur, Auslegungsmethodik und Fertigungstechnik sollen am Beispiel eines Single-Aisle Spoilers, bei dem in Zukunft ein sehr hoher Bedarf von 1.650 Stück pro Monat besteht, als Demonstrator validiert werden.