Fraunhofer-Gesellschaft
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Projekte

Fraunhofer Geschäftsbereich Adaptronik

Kosteneffiziente Sicherheit im Flugzeugbau

Unsere Kunden fordern täglich innovativere Produkte mit erhöhter Dauerfestigkeit und Sicherheit. Sicherheit bedeutet nicht nur ein schadenfreies Betriebsleben, sondern auch die zuverlässige Früherkennung von Schäden. Dies soll u. a. zu einer Reduktion der Wartungskosten führen. Das Fraunhofer LBF erweitert sein Angebot für sichere Produkte durch die Entwicklung, den Aufbau und die Erprobung neuer Technologien und Konzepte. Neben den klassischen Wöhler- und Gassner-Linien, die seit Jahrzehnten als Kernelemente für Material- und Bauteilcharakterisierung gelten, entwickelt das Fraunhofer LBF neue Konzepte und Strategien, die den operativen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanfragen unserer Kunden entgegenkommen.

Abb. 1: Fertigung von Faserverbundbauteilen im Fraunhofer LBF.
Abb. 2: Das versteifte, CFK-sensoriserte Paneel für die Validierung der Überwachungstechnologien und -methoden des LBF. Eigenschaften des Paneels: Außenmaße: 1650 x 900 mm, 3 Stringers und 3 Spanten als vereinfachte Rumpfstruktur.

Structural Health Monitoring

Im Rahmen verschiedener deutscher und europäischer Projekte entwickelt das Fraunhofer LBF „Structural Health Monitoring – SHM“ Konzepte, die für die Überwachung kritischer Bauteile ausgelegt werden. Im Rahmen des europäischen Projekts „Clean Sky“ arbeiten die Wissenschaftler an der Auslegung, Fertigung und Erprobung intelligenter Systeme, die die Beanspruchung eines Bauteils messen und dessen Integrität überwachen können. Mittels optischer Fasern werden durch die Messung von Dehnungen Lasten erfasst. Für Luftfahrt-Anwendungen wird diese Technologie in Verbindung mit Faserverbundbauteilen eingesetzt und validiert. Coupons und Strukturteile werden mit integrierten optischen Fasern in den Laboren des LBF gefertigt und unter realistischen Beanspruchungen getestet. Die Überwachung der Strukturintegrität erfolgt durch passive und aktive Methoden. Dafür werden piezokeramische Sensoren eingesetzt. Sie überwachen mittels akustischer Verfahren die Integrität eines Bauteils. Die Hochfrequenzwellenausbreitung dient als Messsignal für Integritätserkennung und Schadensidentifizierung. Faserverbundbauteile stellen für die Strukturintegrität eine besondere Herausforderung dar, da sie spezielle Schadenmechanismen und strukturelle Eigenschaften besitzen. Die Fertigung der Faserverbundbauteile mit integrierten piezokeramischen Sensoren und optischen Fasern erfolgt in den Labors des Fraunhofer LBF. In Verbindung mit hochwertigen Messsystemen werden die vom Institut entwickelten Konzepte und Modelle überprüft und validiert. Als Umsetzung dieser Methoden im Rahmen der Plattform „Green Regional Aircraft“ des „Clean Sky“-Projektes hat das Fraunhofer LBF fünf sensorisierte CFK-versteifte Paneele gefertigt und erprobt. Die Überwachung der Strukturintegrität der versteiften Paneele durch integrierte optische Fasern und piezoelektrische Sensoren wurde für statische Prüfungen und für Ermüdungsprüfungen getestet. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Zuverlässigkeit der Messtechnik auch unter extremen Lastbedingungen.

Die Palette der LBF-Kompetenzen beinhaltet auch die Anwendung von Nanomaterialien, die für die Sicherheit im Luftfahrtbereich eingesetzt werden. Das auf Carbon NanoTubes (CNT) basierende „bucky paper“ wird im Flügelbereich eingesetzt, um den Aufbau von Eis an kritischen Stellen zu vermeiden. Auch hier entwickelt, realisiert und testet das Institut Konzepte für die Integration dieses Materials. Zusammen mit seinen europäischen Partnern arbeitet das Fraunhofer LBF an der Entwicklung neuer SHM-Systeme und Sicherheitskonzepte für die „grünen“ Flugzeuge der Zukunft.

 

Kundennutzen

Faserverbundbauteile haben ein großes Potenzial, das aber im praktischen Einsatz noch nicht vollständig ausgenutzt werden kann. Durch die vom Fraunhofer LBF entwickelten Überwachungssysteme werden das mechanische Verhalten und die am Bauteil entstehenden Schäden beobachtet. Das Institut bietet SHM-Konzepte mit Fertigung des Bauteils, Integration von Sensoren und die entsprechende Messtechnik für experimentelle Verifikation an.