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28.11.2017 | Verbundwerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Piezo-basierte Überwachung heikler CFK-Strukturen

Autor:
Andreas Burkert

Integrierte Sensoren in Composite Strukturen © Fraunhofer LBFMithilfe optischer Messfasern und piezo-basierten Sensoren lassen sich CFK-Strukturen unter realen Lastbedingungen testen. Ein piezo-basiertes Messsytem hat das Fraunhofer LBF soeben in großer Höhe erfolgreich eingesetzt.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffteile (CFK) sind bei Konstrukteuren beliebt. Das Gewicht eines Produkts lässt sich damit mitunter erheblich reduzieren – etwa wenn CFK-Strukturen im Flugzeugrumpf zum Einsatz kommen. Allerdings muss dort zuvor die Zuverlässigkeit der Komponenten im Flugbetrieb nachgewiesen werden. Das ist einem Team aus Forschern des Fraunhofer LBF nun mit einem speziellen Messaufbau gelungen. Mittels eines neuartigen Strukturüberwachungssystems überwachten sie den Rumpf eines Flugzeugs, um das Verhalten großer CFK-Strukturen während des Flugs zu untersuchen.

Als Testflugzeug diente ein Mittelstreckenmodell für etwa 70 Passagiere. Ziel der Messungen war es, robuste Daten zu erhalten, die mit den theoretischen Berechnungen der Flugzeughersteller über das Verhalten von CFK-Großstrukturen verglichen werden können, um damit zukünftig solche Bauteile effizienter auszulegen. Dazu unterzogen die Wissenschaftler den Flugzeugrumpf in einem Bodentest einer zyklischen Innendruckbelastung sowie mehreren Flugtests in unterschiedlichen Flughöhen. Mit dem wiederholten Aufblasen des abgeschlossenen Rumpfs am Boden simulierten sie die Ausdehnung der Struktur in großer Flughöhe bei konstanter Temperatur, um die Einflüsse der Kälte auszuschließen, die in großen Höhen zusätzlich auf die Struktur einwirken.

Systemzuverlässigkeit von CFK-Strukturen einfach prüfen

Zur Dehnungs- und Spannungsüberwachung wurde auf dem Flugzeugrumpf großflächig ein Sensor-Überwachungsnetzwerk aus optischen Messfasern aufgebracht. Die Messfasern legten die Forscher an der zum Flugzeuginnenraum gewandten Seite und an der Außenhaut des Rumpfs an. Die dünnen, länglichen Glasfasern sind in der Lage, auch sehr schwache Veränderungen von größeren Bauteilen anzuzeigen. 

Darüber hinaus wurde ein piezo-basiertes Strukturüberwachungssystem an der Rumpfunterseite zur Erkennung von Veränderungen in der Struktur und im Material appliziert. "Mit diesem Verfahren können wir nun das Verhalten eines kompletten Flugzeugrumpfs analysieren, überwachen und Veränderungen in der Struktur zuverlässig aufnehmen“, erklärt Oliver Schwarzhaupt, im Fraunhofer LBF verantwortlich für das Forschungsprojekt.

Wirtschaftlicher Flugzeugleichtbau 

Den Forschern zufolge hilft dieses Wissen, künftig leichtere, optimierte Komponenten herzustellen, die zu einer Gewichtsreduzierung und damit zu Kraftstoffeinsparungen führen. Mit der Strukturüberwachung lassen sich auch die Betriebszeiten der Komponenten deutlich verlängern und so die Kosten senken wie auch die Betriebssicherheit erhöhen. "Damit leistet das von uns entwickelte übergreifende Überwachungssystems einen wesentlicher Beitrag für das Vorantreiben des wirtschaftlichen Flugzeugbaus respektive der sicheren und ökologischen Luftfahrt“, versichert Schwarzhaupt. Mit einem solchen System wäre es möglich, die Struktur am Boden und während des Flugs auf ihren Zustand hin zu überwachen.

Die Tests sind im Übrigen Teil von Clean Sky, einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Europäischen Kommission und der europäischen Luftfahrtindustrie. Ziel ist es, insgesamt noch leichtere CFK-Bauteile zu konstruieren, also unnötiges Material und damit Treibstoff einzusparen, die Teile länger im Einsatz zu belassen und deutliche Einsparungen bei Wartung und Austausch zu erzielen und somit Flugzeuge wirtschaftlicher und umweltfreundlicher zu betreiben.

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