Mit dieser Messtechnik können Flugzeuge weiter abspecken
Überstehen die neuen faserverstärkten Kunststoffteile den Flug in die USA schadlos? Sind die Bauteile nicht überdimensioniert? Darmstädter Wissenschaftler wissen das jetzt dank optischer Messmethoden auf den Tausendstel Millimeter genau. Jetzt können die Bauteile der Zukunft deutlich schlanker und damit noch leichter werden.
Montage eines Airbus A350 in Toulouse: Im Flugzeugbau werden viele Bauteile aus CFK eingesetzt, um Gewicht zu sparen. Ein neues Messverfahren erlaubt, diese meist überdimensionierten Teile leichter zu konstruieren.
Foto: Alexandre Doumenjou/Airbus
Wo es nur geht setzen Flugzeugbauer mit Kohlenstofffasern verstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) ein, um Gewicht und damit Treibstoff zu sparen. Sicherheitshalber werden die Bauteile deutlich überdimensioniert, weil die Reaktion des hochfesten und leichten Materials nicht sicher berechenbar ist. Das wollen Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit in Darmstadt jetzt ändern.
Sie ließen ein Stück der oberen Rumpfverkleidung des 70-sitzigen Mittelstreckenflugzeugs ATR-72-600 herausschneiden und ersetzten es durch ein Bauteil aus CFK. Um dessen Bewegungen während unterschiedlicher Flugmanöver exakt zu dokumentieren, statteten sie das Bauteil mitzahlreichen Sensoren aus, die die Dehnungen messen, die etwa durch die sich ändernde Druckdifferenz zwischen drinnen und draußen sowie auf dem Boden und in Reiseflughöhe entstehen.
Konventionelle Messtechnik ist zu ungenau
Normale Dehnungsmessstreifen, die bei Verformung ihren elektrischen Widerstand ändern, waren dem Team um die Werkstoffforscherin Conchin Contell Asins zu ungenau. Sie entschieden sich für eine optische Methode. Sie klebten auf die Stellen, an denen sie besonders große Verformungen im Millimeterbereich vermuteten, Lichtwellenleiter auf. Diese haben die Eigenschaft, die Frequenz von Licht zu verändern, das eingeleitet und am Ende von einem Spiegel reflektiert wird.
Als Testflugzeug diente den Fraunhofer-Ingenieuren das Mittelstreckenflugzeug ATR-72-600 des italienischen Herstellers Alenia. Für die Flüge wurde ein etwa 5×3 Meter langes CFK-Bauteil eingesetzt. Dieser Bereich ist eines der am stärksten belasteten Bauteile beim Flug.
Quelle: Alenia Aermacchi
Daraus lassen sich die Verformungen berechnen, und zwar auf Tausendstel Millimeter genau. Die Messflüge fanden im Rahmen einer Forschungsinitiative der Europäischen Kommission und der europäischen Luftfahrtindustrie statt.
Vergleich von Praxis und Theorie
„CFK-Strukturen verhalten sich während eines Flugs anders als Aluminium“, schildert Contell Asins. Ziel war es, Messdaten zu erhalten, um sie mit den Werten zu vergleichen, die bei Berechnungen des Verformungsverhaltens ermittelt werden. Die Messdaten wurden noch an Bord mit den Werten korreliert, die die Blackbox liefert, etwa Geschwindigkeit, Kursänderungen, Flughöhe und Geschwindigkeit. „Die Werte waren so exakt, dass man von den Dehnungssignalen auf das Flugprofil hätte schließen können“, sagt Oliver Schwarzhaupt, der zum Team gehört.
Die optische Messtechnik kann auch genutzt werden, um die Funktionsfähigkeit der Bauteile während des Routinebetriebs zu beobachten. Schäden sind, anders als bei metallischen Bauteilen, schwer zu erkennen, weil sie im Inneren entstehen. „Ändert sich das Verformungsverhalten, kann das auf Schäden hindeuten. Mit einer solchen Strukturüberwachung könnte man Bauteile deutlich länger im Einsatz belassen“, sagt Contell Asins. Und noch mehr Geld sparen.
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