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Günstigere, umweltfreundlichere und sicherere Flugzeuge dank eines neuen Ansatzes für Strukturtests

Die Luftfahrtindustrie stand in den letzten Jahren vor großen Herausforderungen: umfangreicherer Zugang zu Flugreisen, der Anstieg der Energiekosten und die Notwendigkeit, die Umweltverschmutzung zu reduzieren. Nun sieht sich der Sektor einer zunehmenden Nachfrage nach leichteren treibstoffeffizienteren Flugzeugen gegenüber, die neue Technologien erfordern.

Industrielle Technologien

Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts TEST-Inn wurde ein alternativer Ansatz für die traditionellen Experimental-Strukturtests zum Messen der Torsions- und Biegesteifigkeit der hybriden Laminarströmungskontrolle eingeführt. Das Forschungsteam ersetzte konventionelle Instrumente zum Messen der Verschiebung, wie zum Beispiel Kontaktsensoren oder Dehnungsmessung, durch neue Lösungen. Ziel war es, ein innovatives Überwachungssystem für den Einsatz während Strukturtests zu entwickeln, um erste beginnende Schäden zu entdecken und sie zu lokalisieren sowie für die qualitative und quantitative Bewertung von Spannungs-Dehnungs-Ereignissen, wie zum Beispiel Überlastungen, Defekterscheinungen und sogar Defektwachstum. Dadurch konnte der Deformationsprozess überwacht werden, um effiziente Tests hoher Qualität sicherzustellen, die Produktentwicklungszeiten, Risiko und Kosten reduzieren. Die Projektpartner entwarfen ein innovatives Lastüberwachungs- und Anwendungssystem zur Verifizierung und Validierung der hybriden Laminarströmungskontrolle, einem in den Heckstabilisator von Verkehrsflugzeugen integrierten Element. „Diese Technologie zieht kleine Mengen der Luft entlang der Oberfläche eines Flugzeugs ein, um den Strömungswiderstand zu reduzieren, was wiederum zu einer Reduzierung des Treibstoffverbrauchs um 30 % führt“, sagt Projektkoordinator Javier Zurbitu.

Ein neuer Ansatz

Zum Nachweis der Torsions- und Biegesteifigkeit der Stirnkantenkonfigurationen der hybriden Laminarströmungskontrolle wurde ein Prüfstand mit einem hochmodernen Lastanwendungssystem in Kombination mit neuartigen Überwachungsmethoden eingesetzt. Dies beinhaltete eine Kombination aus Sensoren zur Überwachung des Strukturzustands für die qualitative und quantitative Bewertung der Spannung und Dehnung während des Strukturtests. Die neuartigen Überwachungsmethoden umfassten eine Technologie mit Formgedächtnislegierungen, bei der die einzigartigen Eigenschaften von Metallen mit Formgedächtnislegierungen statt anderen klassischen Lastanwendungssystemen genutzt werden, um die Deformation zu kontrollieren. Die Schallemissionstechnologie erkannte erste Schäden und deren Positionierung während der Tests. Für Tests der Zug-, Torsions-, Biege- und Kombinationsbelastung, sowohl für statische als auch dynamische Anwendungen, wurde digitale Bildkorrelation, eine berührungslose, optische 3D-Technik, die Kontur und Deformation misst, eingesetzt. Die verteilte Sensortechnologie auf Basis faseroptischer Rayleigh-Streuung (FORS) ermöglichte zahlreiche Dehnungsmessungen mit einer räumlichen Auflösung im Millimeterbereich entlang der optischen Fasern. Damit konnten Strukturmodelle über ein breites Spektrum von Belastungsbedingungen hinweg validiert werden, insbesondere in Bereichen mit hoher Spannungskonzentration. „Die faseroptische Rayleigh-Streuung ist nützlich für kontinuierliche Dehnungsmessungen in internen Bereichen oder in Bereichen, auf die mit anderen Methoden nicht einfach zugegriffen werden kann“, erklärt Zurbitu.

Erhebliche Einsparungen

Mittlerweile ermöglichte Laserscannertechnologie den Projektpartnern, mit einer berührungslosen Lasermessung das digitale 3D-Modell einer Komponente schnell zu erhalten. Schallemission ist das Phänomen der Aussendung von Schallwellen, wenn ein Material irreversible Schäden in seiner inneren Struktur erleidet. Durch Überwachung der Schallemissionswellen mit Sensoren an der Oberfläche einer Struktur können beginnende Schäden erkannt, lokalisiert und identifiziert werden. Zurbitu merkt an: „Damit können viel früher Schwachstellen einer Struktur identifiziert und Schäden erkannt werden als mit konventionellen Technologien.“ TEST-inn gewährleistet somit eine effiziente Prüfung hoher Qualität der integrierten Demonstratoren sowie die Verbesserung der Erkennung und Quantifizierung lokalisierter Belastungen auf Basis dieser neuen Technologien. „Es wird dazu beitragen, die Produktentwicklungszeit (nicht wiederkehrende Kosten), das Risiko und Kosten zu reduzieren. Die vorgeschlagene Testkonfiguration und die neuartigen Technologien werden die Anzahl erforderlicher Tests für die Entwicklung neuer Produkte um 33 % reduzieren und 25 % Einsparungen bei den wiederkehrenden Kosten ergeben“, schließt Zurbitu.

Schlüsselbegriffe

TEST-inn, hybride Laminarströmungskontrolle, Prüfstand, Formgedächtnislegierungen, FGL, faseroptische Rayleigh-Streuung, Schallemission, Laserscannen, Belastungsüberwachung

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