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Schadensarme Sensorintegration für die Strukturüberwachung in Kompositbauteilen von Flugzeugen

Ausgangssituation

Der derzeitige Stand der Technik bei akustischen Ultraschall-Systemen zum Structural Health Monitoring (SHM) von Strukturen mittels geführter Wellen ist durch einen hohen Anteil an Know-how für die Identifikation von Bauteilschädigungen charakterisiert. Die Systeme sind bei richtiger Abstimmung auf die zu überwachende Trägerstruktur in der Lage, Strukturdefekte auch in CFK-Kompositen zu detektieren. Feldversuche haben gezeigt, dass die sensorischen Mikrosysteme auch schleichende Schädigungen in GFK-Kompositen von Rotorblättern zuverlässig auffinden. Allerdings sind die SHM-Systeme in der Regel eigenständige Lösungen, die nachträglich an einem Bauteil montiert werden. Die Montage über Kleben ist sehr praktikabel und weitverbreitet. Doch bildet die Klebefuge immer eine Schwachstelle zwischen Trägerstruktur und SHM-System. Insbesondere wenn erhebliche Umweltlasten wie Temperaturwechsel von -55 °C bis +85 °C, mechanische Dehnungen bis 0,3 % oder Vibrationen auftreten, sind sowohl die Mikrosysteme als auch die Fügestelle stark belastet.

Abb. 1: Integrierte Sensorik mit neuem Packaging-Konzept.

Aufgabe

Zur Entschärfung dieser Problematik sollte eine Ultraschallsensorik inklusive der Messelektronik in die Flugzeugstruktur eingebettet werden. Die vervendete Flugzeugstruktur bildete die Rumpfschale des Airbus A350 ab. Dabei sollte dem Anspruch nachgekommen werden, die Funktionalität der Sensorik in vollem Umfang beizubehalten und gleichzeitig ein sehr zuverlässiges Mikrosystem zu entwerfen. Das System sollte einerseits bereits im Laminierprozess des CFK-Bauteils in das Bauteil integriert werden und andererseits den unterschiedlichen Betriebsbedingungen im Flugzeug – während Start, Reiseflug, Landung und am Boden – über viele Zyklen standhalten. Zur Verwirklichung des Ziels mussten Funktionalität und Systemzuverlässigkeit gleichermaßen Gegenstand der Untersuchung werden.

Abb. 2: FEM Berechnung der 1. Hauptspannungen nach Einbettung der Ultraschall-Wandler beim CFK-Laminieren und Abkühlung auf Raumtemperatur.

Durchführung

Zunächst wurden die Belastungen der Rumpfschale während der CFK-Fertigung und während des Flugbetriebs auf Basis von Messungen und Vorerfahrungen bzw. Prüfbedingungen ermittelt. Daraus ließen sich die Belastungen des Mikrosystems – US-Sensorik und Elektronik – ableiten. Die aus diesen Voruntersuchungen gewonnenen Randbedingungen führten zur Entwicklung von Packagingkonzepten, die sich zur Einbettung des Mikrosystems in das Bauteil eignen (Abbildung 1).

Fragen zu Materialauswahl und Konstruktionslösungen wurden mit Hilfe von FEM-Berechnungen bearbeitet (Abbildung 2). Zusätzlich dienten EFIT-Berechnungen zur Optimierung des konstruktiven Aufbaus und der Lage im Bauteil. Die daran anschließende Technologieentwicklung zur Einbettung der Sensorik im CFK-Bauteil führte zur Konstruktion kleinerer CFK-Rumpfschalensegmente (600 mm × 150 mm × 3 mm) und konnte damit erfolgreich abgeschlossen werden. Auch die Funktionsprüfung der US-Sensorik nach der Einbettung verlief erfolgreich und bestätigte grundsätzlich die EFIT-Berechnungen (Abbildung 3). Prüfungen zum Schädigungsgrad erfolgten stets nach der Fertigung und wiederkehrend während der Zuverlässigkeitstests mittels Röntgendiagnostik und US-Mikroskopie. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Sensorik und Elektronik sowie deren Wechselwirkung mit dem CFK-Bauteil im direkten Umfeld.

Abb. 3: Berechnung der Schallausbreitungscharakteristik in mehrlagiger CFK-Struktur bei eingebettetem US-Wandler mittels EFIT-Analyse.

Derzeit werden Untersuchungen zur Langzeitstabilität und Systemzuverlässigkeit durchgeführt (Abbildung 4). Stetige elektrische Messungen an der Elektronik und Funktionsüberprüfungen der US-Sensorik begleiten die Umwelttests und die mechanischen Tests. Widerstandsfähigkeiten zeichnen sich insbesondere bei Temperaturwechselbeständigkeit und statischen Zug- und Biegetests ab.

Abb. 4: Dynamische Zugbeanspruchung des eingebetteten Sensorsystems (R=0,1).

Ergebnisse

Die Technologieentwicklung zur schadensarmen Sensoreinbettung wurde mit Hilfe des »Design for Reliability« und des »Design for Functionality« erfolgreich bearbeitet. Als Ergebnis konnten Designregeln für die Auslegung von Elektronik zur CFK-Einbettung formuliert werden, z. B. zur Reduzierung der Risiken der interlaminaren Scherung zwischen dem Schaltungsträger und der Bauteilstruktur. Sie enthalten Angaben zur Auslegung des Schaltungsträgers, der Bauelementauswahl und der Form der Kontaktierung von US-Sensorik und -Elektronik.

Industriepartner

  • COTESA GmbH, Mittweida
  • HTS GmbH, Coswig
  • IMA Dresden GmbH

Projektpartner

  • IAVT, TU Dresden