Belastungssensoren in Flugzeugstrukturen
Verbundwerkstoffe bieten hervorragende Festigkeit bei geringerem Gewicht, letzteres schlägt sich wiederum in einem tieferen Treibstoffverbrauch und gesenkten Emissionen nieder. Sandwich-Strukturen sind inzwischen die bevorzugte Lösung für leichte und steife Konstruktionen. Ein dicker Schaum mit geringer Dichte bildet den Kern, auf dem dünne, jedoch steife Flächenelemente angebracht werden. Die ROHACELL-Schaumkerne, die von der EVONIK RÖHM GMBH hergestellt werden, finden in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitete Anwendung. Die Schäume mit Zellstruktur bestehen aus verschiedenen Polymeren, und die Flächenelemente oder Außenschichten werden gewöhnlicherweise aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (KFK) gefertigt. Das Unternehmen initiierte das EU-finanzierte Projekt SANDWICH FOAM CORES, um KFK-Sandwich-Strukturen mit integrierten Sensoren für Structural Health Monitoring (SHM) zu konstruieren und herzustellen. SHM ist ein entscheidendes Werkzeug zum Erhöhen von Sicherheit und Zuverlässigkeit kritischer Strukturen, durch das gleichzeitig Zeit- und Kostenaufwand der Wartung gesenkt wird. Kleine und einfache Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG-Sensoren) eignen sich hervorragend zur Überwachung der stark belasteten KFK-Strukturen eines Luftfahrzeugs. FBG bestehen aus einer kurzen optischen Faser, welche nur bestimmte Wellenlängen überträgt. Durch belastungsbedingte Verformung ändert sich die übertragene Wellenlänge – so entsteht ein Belastungssensor. Darüber hinaus werden FBG nicht durch elektromagnetische Interferenzen beeinflusst, auch nicht durch Blitzschläge, und sie sind nicht auf externe Stromversorgung angewiesen. Sie weisen eine hohe Langzeitstabilität und Korrosionsbeständigkeit auf und eignen sich gut für den Betrieb bei sehr tiefen Temperaturen. Die Wissenschaftler konstruierten und fertigten neuartige ROHACELL-Schaumkerne. Ausgehärtete Demonstrationsbauteile aus versteiften Verschalungen mit Schaumkernen und integrierten FBG-Sensoren wurden in einem Autoklav hergestellt. Die Forscher von SANDWICH FOAM CORES wiesen erfolgreich die Leistung des FBG-Sensors in den ausgehärteten Demonstrationsbauteilen nach und bestätigten so, dass SHM-Systeme in Sandwich-Strukturen aus Verbundwerkstoffen integriert werden können. Die Arbeit wird zur Entwicklung spezieller Konstruktionsregeln für solche Komponenten beitragen. Die Kommerzialisierung der Materialien und Verfahren wird sich äußerst positiv auf die wettbewerbliche Position der europäischen Luft- und Raumfahrtindustrie auswirken. Auch andere Verkehrsmittel könnten von höherer Sicherheit, geringeren Kosten und gesenkten Emissionen stark profitieren.
Schlüsselbegriffe
Belastungssensoren, Verbundwerkstoffe für die Luftfahrt, Luft- und Raumfahrt, Sandwich-Strukturen, Schaumkerne