Strukturüberwachung an großen Faserverbundbauteilen und neues Enteisungsverfahren für Flugzeuge

Mit den Panels ist es den Darmstädter Ingenieuren gelungen, große CFK-Teile zu entwickeln, zu bauen und mit einer Last von zwanzig Tonnen zu testen. Die beheizbare Flügelvorderkante repräsentiert ein neues nanomaterial-basiertes Deicing-System für Flugzeugstrukturen.

Treibstoffverbrauch, Schadstoffemissionen und Lärm sind die Dauerthemen der Luftfahrt. Neuartige Rumpfstrukturen, häufig aus Kunststoffen gefertigt und mit strukturintegrierten Funktionen, machen die Luftfahrt umweltfreundlicher und sicherer. Haltbarkeit und Zuverlässigkeit dieser neuen Strukturen müssen jedoch überwacht werden.

Neue Dimension bei der Strukturüberwachung
Zur Strukturüberwachung von Flugzeugteilen aus Kunststoff können unterschiedliche Sensorsystemen eingesetzt werden. Auf der Messe zeigen Fraunhofer-Forscher große Faserverbundbauteile, sog. „Panels“ mit zweikanal-Lichtleitern zur Lastüberwachung und Piezokeramik-Sensoren bzw. Aktoren zur Überwachung der strukturellen Integrität mittels akustischer Methoden. Eine miniaturisierte Hardware dient der Datenüberwachung.

Mit der Entwicklung und Herstellung der präsentierten Panels betreten die Fraunhofer-Ingenieure eine neue Dimension der Strukturüberwachung. Erstmals ist es hier gelungen, die komplette Entwicklungskette von der Idee bis zum Test mit einer Last von 20 Tonnen zu schließen. Die Entwicklungskette umfasste im Falle der Ausstellungsstücke die Auslegung der Struktur mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM), die Detailkonstruktion und Zeichnungsableitung mit CAD, die Konstruktion von Formwerkzeugen und Einspannungen sowie die prototypische Fertigung der Panels mit strukturintegrierten faseroptischen Dehnungssensoren und Sensoren zur Impact-Schadenserkennung.

Ein weiteres Novum bei der Überwachung mit strukturintegrierten Sensoren ist ein am Fraunhofer LBF entwickeltes innovatives Steckerkonzept. Erstmals wurden die neuen Stecker in einem seriennahen Fertigungsprozess eingesetzt. Die so bestückten Panels wurden zerstörungsfrei geprüft mit Lock-In-Thermographie, Ultraschall, Röntgentechnik und zerstörend mit Impact- sowie Ermüdungs- und Restfestigkeitsversuchen.
Nanomaterial-basiertes Deicing-System
Auch für andere integrierte Funktionen in Faserverbundbauteilen sind neue Materialien und Verfahren erforderlich, z.B. für die Enteisung von Flugzeugflügeln oder -propellern. Denn die bisher eingesetzten konventionellen Wärmeleiter für Metallkonstruktionen sind für Kunststoffe ungeeignet, da die Werkstoffe unterschiedliches mechanisches und thermisches Verhalten zeigen.

Die Forscher des Fraunhofer LBF haben auf der Basis von Nanomaterialien neue Methoden zur Enteisung von Flugzeugstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen entwickelt. Die Technologie ihrer innovativen Heizelemente wird bereits im Fertigungsprozess integriert und ist sofort einsetzbar. Eine höhere Zuverlässigkeit dieser angepassten Materialpaarung verlängert die Lebensdauer der Bauteile und schont Ressourcen.

Fraunhofer-Allianz Leichtbau
Da die Qualität von Leichtbaustrukturen wesentlich durch die Werkstoffeigenschaften, die konstruktive Formgebung, die Bauweise und den Herstellungsprozess bestimmt wird, haben sich die Institute, die an diesen Themen forschen, zur Fraunhofer-Allianz Leichtbau zusammengeschlossen. Sprecher dieser Allianz ist LBF-Institutsleiter Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka. Gemeinsam bearbeiten die Mitglieder die gesamte Entwicklungskette von der Werkstoff- und Produktentwicklung über Serienfertigung bis zur Zulassung und den Produkteinsatz. Die Entwicklung, Fertigung und Prüfung von Prototypen aus Faserverbundwerkstoffen auch mit besonderen Technologien wie der Funktionsintegration von Sensoren ist eine Domäne des Fraunhofer LBF.