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 Sicherheitsfaktoren, die eine gewisse Überdimensionierung erfordern. 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.

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.

Bei der Integration verschiedener Sensortechnologien in die Fertigung von Flugzeugstrukturen arbeitet das Fraunhofer LBF interdisziplinär und intensiv mit Unternehmen der Sensortechnik und der Verbundwerkstoffherstellung zusammen. Den strukturellen Teil des in Stuttgart gezeigten Flügels baute das Fraunhofer LBF gemeinsam mit der Hochschule Darmstadt, unterstützt von Evonik Röhm, Saertex und Hexion. Sensoren im Inneren des Flügels messen die strukturellen Belastungen. Dazu wurden bei seiner Herstellung acht Piezo-Module des Fraunhofer LBF, 18 elektrische sowie 16 optische Belastungssensoren von HBM und Sensorbeschichtungen von Fujifilm Prescale integriert. Die Belastung auf der Ober- und Unterseite des Flügels wird mit einer Rate von bis zu 200Hz gemessen. Sobald die Daten die definierte Belastungsgrenze überschreiten, ertönt ein Alarmsignal. Eine Software von HBM speichert und analysiert alle Daten der elektrischen und optischen Messungen.

Clean Sky JTI – Umweltfreundliche Technologie für die Luftfahrtindustrie:
Die Struktur¬überwachung wird auch innerhalb der „Clean Sky Joint Technology Initiative“ weiterentwickelt, die Fliegen umweltfreundlicher machen will. 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.