Leichter, kostengünstiger und umweltfreundlicher Fliegen mit „Structural Health Monitoring“

Faserverbundwerkstoffe bieten aufgrund ihres Leichtbaupotentials besondere Vorteile im Luftfahrtbereich. Diese Leichtbauvorteile lassen sich aufgrund des komplexeren Schädigungsverhaltens im Vergleich zu metallischen Werkstoffen nicht immer voll ausschöpfen.

In der Luftfahrt stellt etwa der Impact durch Fremdkörper bei Faserverbundstrukturen ein besonderes Gefahrenpotential dar, begrenzt die Einsatzbereiche und führt häufig zu großen Sicherheitsrisiken. Sensoren, die zum Beispiel im Flügel äußerlich nicht sichtbare Strukturschäden frühzeitig erkennen, können den Inspektionsaufwand reduzieren. Die Betriebssicherheit der Struktur wird durch die Auslegung und Inspektionen in regelmäßigen manuellen Intervallen gewährleistet. Durch ergänzende automatisierbare Überwachung mit strukturintegrierten Sensoren lassen sich künftig Kosten und Gewicht einsparen.

Clean Sky JTI: Umweltfreundliche Technologie für die Luftfahrtindustrie

Die „Clean Sky Joint Technology Initiative“ will die Belastungen der Umwelt durch Lufttransporte deutlich verringern und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Luftfahrtindustrie stärken. Mit einem Budget von 1,6 Milliarden Euro ist es das größte europäische Forschungsprogramm zu diesem Thema. Die Fraunhofer-Gesellschaft ist neben namhaften Industrieunternehmen einer der Partner der Initiative, wobei sämtliche Aktivitäten der Fraunhofer-Institute vom Fraunhofer LBF in Darmstadt koordiniert werden.

SHM – Das Nervensystem des Bauteils

Die Grundidee: Structural Health Monitoring (SHM) ist wie das Nervensystem eines Bauteils. Sensoren und eine Auswerteelektronik registrieren äußere Einwirkungen und spüren Schäden auf. Vor allem Fremdkörper, wie Hagel- oder Vogelschlag stellen eine große Gefahr für Flugzeuge dar. Aber auch Steinschlag durch Splitt auf der Rollbahn oder Schäden durch fallendes Werkzeug bei Wartungsarbeiten kommen vor. Bei Faserverbundstrukturen und Sandwichbauweise sind solche Schäden nur selten von außen sichtbar. Die Betriebsicherheit wird deshalb bisher durch umfangreiche Inspektionen und entsprechende Auslegung der Bauteile gewährleistet.

Dank neuer SHM-Systeme lassen sich Kosten, Gewicht und Wartung reduzieren, Leichtbaustrukturen können so ihre Vorzüge noch stärker ausspielen. Selbstdiagnose verkürzt Stillstandzeiten und Gewichtsreduktion senkt den Treibstoffverbrauch. Die kontinuierliche Überwachung der Flugzeughülle, auch in schwer zugänglichen Bereichen, verringert den Inspektionsaufwand. Als Messwertaufnehmer dienen u. a. elektrische und optische Dehnungsmessstreifen sowie Piezofasermodule und Beschleunigungsaufnehmer.

So sind etwa die Ober- und Unterschale des Exponats mit faseroptischen Sensoren versehen, um anhand der Wellenlängenverschiebungen reflektierter Wellen Aussagen über die Dehnung der Struktur zu erhalten. Neben Dehnungen können auch Impactereignisse festgestellt werden. Piezofasern wandeln mechanische Dehnungen in elektrische Spannungen um. Damit lassen sich hochfrequente Körperschallwellen, die durch den Aufprall eines Fremdkörpers verursacht werden, messen. Rückschlüsse auf Ort und Umfang einer Beschädigung sind möglich.

Über das Fraunhofer LBF
Mit ganzheitlicher Kompetenz in Betriebsfestigkeit, Adaptronik und Systemzuverlässigkeit entwickelt, bewertet und realisiert das Fraunhofer LBF gemeinsam mit dem assoziierte Fachgebiet Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik SzM an der TU Darmstadt im Team von rund 290 Mitarbeitern maßgeschneiderte Lösungen für alle Sicherheitsbauteile – vom Werkstoff bis zum System, von der Idee bis zum Produkt. Kooperationen mit namhaften Partnern zeigen die besondere Nähe zur Industrie. Automobil- und Nutzfahrzeugbau, Schienenverkehrstechnik, Schiffbau, Maschinen- und Anlagenbau, Luftfahrt, Energietechnik und andere Branchen nutzen die ausgewiesene Expertise und modernste Technologie auf mehr als 17 000 qm Labor- und Versuchsfläche.
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