Die integrierte Strukturüberwachung (engl.: Structural Health Monitoring – SHM) mit Lamb-Wellen ist eine erfolgversprechende Technik, um Faserverbundstrukturen im Betrieb kontinuierlich auf Schäden zu prüfen. Eine zuverlässige Detektion und Lokalisation von Schäden stellt insbesondere in komplexen Luftfahrtstrukturen eine besondere Herausforderung dar. Aus diesem Grund wird eine Türumgebungsstruktur mit integriertem SHM-Netzwerk entwickelt und gefertigt, um die Fähigkeiten eines SHM-Systems in realen, komplexen Luftfahrtstrukturen zu verifizieren.
Quelle: DLR (CC BY-NC-ND 3.0).
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Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) forschen an einer verformbaren Flügelhinterkante, die sich stufenlos in beliebige Zielformen bewegen kann und klassische Landeklappen überflüssig macht. Die Klappen an den Tragflächen heutiger Verkehrsflugzeuge werden durch eine aufwendige Mechanik betätigt. Deren Verkleidung sowie entstehende Spalte beim Ausfahren beeinträchtigen die Aerodynamik, erhöhen dadurch den Kraftstoffverbrauch und tragen zudem zum Fluglärm bei. Die neue Technologie ist dagegen nach dem Bewegungsvorbild der Venusfliegenfalle flexibel. Sie ermöglicht einen spaltfreien Übergang zwischen Tragfläche und Klappen.
Die Vereisung aerodynamischer Flächen führt in der Regel zu starken Leistungseinbußen. Um dem entgegenzuwirken, werden Eisschutzsysteme verwendet. Diese können unterschiedlichste Effekte nutzen. Die teils sehr innovativen Konzepte müssen für den praktischen Einsatz weiterentwickelt werden. Um die Forschung auf diesem Gebiet zu ermöglichen, wurde ein Versuchsstand aufgebaut, der relevante Vereisungsbedingungen erzeugen kann.
Während der Fahrt führen Schiffe unter dem Einfluss der Seewasserströmung und der Windverhältnisse mehr oder weniger ständig schwingende, zum Teil ganz unregelmäßige Bewegungen aus. Zur Reduzierung dieser Bewegung werden Schiffe mit sogenannten Festflossen-Stabilisatoren ausgestattet. Beginnt ein Schiff zu rollen, erzeugen die Flossen gezielt ein aufrichtendes Kräftepaar, d. h. sie bewegen sich entgegen der Wellenbewegung. In Zusammenarbeit mit SKF Blohm + Voss Industries, der Firma BaltiCo und der Bundespolizei wurde im Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik eine flexible Flossenhinterkante entwickelt und erprobt, die das Antriebsmoment reduziert und eine Stabilisierung ohne Fahrtgeschwindigkeit erlaubt.
Um den „missing link“ in der Entstehung des Sonnensystems bis zur Entwicklung des Lebens auf der Erde zu erklären, sind Asteroidenmissionen von hoher Wichtigkeit. In diesem Zusammenhang wurde am DLR MASCOT, eine etwa „schuhkartongroße“ und 10kg schwere Landeeinheit, in Zusammenarbeit mit der Japanischen (JAXA) und Französischen (CNES) Raumfahrtagentur entwickelt. Am 03. Dezember 2014 erfolgte der Start an Bord von JAXAs Hayabusa-2 Sonde zum C-Klasse Asteroiden 1999 JU3. Dort angelangt wird MASCOT das japanische Mutterschiff bei dessen Landeplatzauswahl (für Bodenprobenentnahmen) unterstützen. Um den während des Starts sehr großen mechanischen Lasten sowie der schiefen Einbaulage auf dem Mutterschiff gerecht zu werden ist MASCOT in eine äußere mechanische Tragstruktur und das Landemodul selbst unterteilt. Letzteres ist eine sehr steife und hochfeste Fachwerkstruktur in Sandwichbauweise. Die beiden äußerst kompakten Leichtbaustrukturen, entwickelt und gebaut am DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, wiegen zusammen lediglich 1,4 kg.
In der Faserverbundfertigung ist die Automatisierung einer der entscheidenden Faktoren für die effiziente Nutzung von faserverstärkten Halbzeugen. Etablierte Verfahren, wie das Tape Laying (ATL) und das Fibre Placement (AFP), haben gezeigt, dass eine automatisierte Fertigung von qualitativ hochwertigen Großstrukturen realisierbar ist. Jedoch sind Fehler bei der Ablage, aufwendiges Materialhandling und kostenintensive Nachbehandlung kritische Punkte, welche in aktuellen Forschungsbemühungen im Fokus stehen. Ein neuer Ansatz, diesen Problemen entgegenzuwirken, ist die Änderung der Prozesskette für den Automatisierungsprozess. In Verbindung mit einer vorgezogenen Konsolidierung sollen ausgehärtete, unidirektionale Kohlenstofffaserbänder verarbeitet werden.
Effizienzsteigerungen spielen bei zukünftigen Verkehrsflugzeugen eine zentrale Rolle. Für das effiziente Hochauftriebssystem, das im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereichs 880 erforscht wird, bildet die Ausnutzung von dem sogenannten Coandă-Effekt die Grundlage. Eine Schlüsselkomponente dieses Systems ist eine konturvariable Flügelvorderkante, mit der ein Flügel in verschiedenen Flugphasen besser an die aerodynamischen Anforderungen angepasst werden kann. Die Methoden und Konzepte für die strukturelle Umsetzung einer solchen Vorderkante werden am Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik erforscht
Befördert durch ökonomische Ziele und die verstärkte gesellschaftliche Wahrnehmung ökologischer Faktoren rückt die Laminarflügeltechnologie zunehmend in den Fokus der Verkehrsflugzeugentwicklung. Die widerstandsarme Tragflügelumströmung ermöglicht Treibstoffeinsparungen und führt so zu einer Reduktion des CO2-Ausstoßes und einer Senkung der Betriebskosten. Doch neben den Anforderungen, die auch für einen konventionellen Tragflügel gelten, muss ein Laminarflügel hohen Ansprüchen an seine Oberflächengüte genügen. So führen bereits kleinste Spalte, Stufen, Welligkeiten oder hervorstehende Nietköpfe zum Umschlag der laminaren in eine turbulente Grenzschicht. Ergänzend zu einer bereits entwickelten Flügelschale konnte nun eine Flügelvorderkante entwickelt werden, die diesen Anforderungen durch einen multimateriellen, multifunktionalen Aufbau (m3f) begegnet.
Dank der Materialdicke von nur 0,1 mm wiegt ein 8 Meter langes Exemplar gerade einmal 500 Gramm. Trotz des geringen Gewichts sind diese Masten sehr steif und sollen bei zukünftigen Weltraummissionen genutzt werden, um als Basisstrukturen großer Systeme wie Sonnensegel, Solarkollektoren und Antennen zu dienen.
Heutige Entwurfs-Prozesse erfordern kürzere Zykluszeiten bei stetiger Reduzierung der Kosten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist eine Verschiebung hin zu einem virtuellen Auslegungsprozess mit einer geringeren Anzahl aufwändiger, zeitintensiver Strukturversuche erforderlich. Hierzu werden bereits im Vorentwurf schnelle und gleichzeitig genaue Analysemethoden benötigt, mit denen verlässliche Aussagen über unterschiedliche Bauteilkonfigurationen getroffen werden können. Dadurch wird das Startdesign für den Detailentwurf verbessert und somit die Anzahl an Iterationen im Detailentwurf reduziert. Mithilfe von Metamodellen kann eine deutliche Effizienzsteigerung bei der Stabilitätsanalyse von versteiften Schalenstrukturen ermöglicht werden.
SAGITTA Unbemanntes Luftfahrzeug
Die Entwicklung von energieintensiven hin zu ressourceneffizienten und qualitätsoptimierten Aushärtungsprozessen von Faserverbundbauteilen im Autoklaven steht im Vordergrund aktueller Forschungsarbeiten. Eine essenzielle Prozessgröße stellt hierbei die Temperatur dar. Die gegenwärtige Messtechnik bringt den Nachteil einer punktuellen Temperaturerfassung mit sich. Zur Verbesserung der Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle ist eine Technologie notwendig, mit der sich die Temperaturverteilung an der Bauteiloberfläche beobachten lässt. Denn es gilt: Je früher Unregelmäßigkeiten in der Temperatur erkannt werden, desto schneller kann man in den Prozess eingegreifen und somit unnötige Prozesszeiten vermeiden. Realisiert wird dieses Vorhaben durch die Integration einer Thermografiekamera und eines Linearantriebs innerhalb des Autoklaven.
Strukturintegrierte Superkondensatoren erlauben in vorteilhafter Weise die Kombination von lasttragenden und energiespeichernden Eigenschaften. Im Fokus unseres Forschungsansatzes steht die Entwicklung von hocheffizienten Superkondensatoren auf Basis von keramischen Festkörperelektrolyten (FE) wie Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3. Insbesondere werden hier der Herstellungsprozess des Festkörperelektrolytkondensators und dessen Laminateinbettung mittels RTM-Technologie betrachtet. Sowohl der reine Elektrolyt als auch der eingebettete Kondensator werden durch umfangreiche elektrochemische und mechanische Messungen charakterisiert. Ziel ist die Integration von Kondensatoren mit hohen Energie- und Leistungsdichten bei gleichzeitig hoher Leichtbaugüte.
Strukturintegrierte Lichtquellen
Im Vergleich zu Aluminiumwerkstoffen zeigen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) während eines Brandes eine deutlich höhere Durchbrandresistenz. Der starke Wärmeeintrag führt jedoch zu einem Überschreiten der Glasübergangstemperatur und einer Zersetzung des Matrixmaterials, welches den Verlust der Tragfähigkeit des CFK-Bauteils bewirken kann. Um das Schadensrisiko im Brandfall zu minimieren, werden bei geringeren mechanischen Anforderungen häufig Flammschutzmittel verwendet, die zumeist als Additive in das Matrixmaterial eingebracht werden und dort zu einer Versprödung führen können. Um die Flammschutzeigenschaften von Strukturwerkstoffen zu verbessern und die mechanischen Eigenschaften zu erhalten, untersucht das DLR daher hybride CFK-Werkstoffsysteme, in die flammschützende Barriereschichten integriert sind.
Neuartige Flugzeugbauteile aus leichtem kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) müssen in einem Autoklaven, einer Art großem Ofen, ausgehärtet werden. Das Problem: während des Aushärtungsprozesses erhalten die Wissenschaftler keine Information über eventuelle Fehler oder Mängel im Bauteil und können den Aushärtungsprozess nicht unterbrechen. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben im Rahmen des EU-Projekts LOCOMACHS Sensoren entwickelt, die Aufschluss über die Qualität des im Autoklaven befindlichen Bauteils geben, so dass im Falle von Mängeln die Produktion vorzeitig abgebrochen werden kann. Das spart Zeit, Geld und schont die Umwelt. Für diese Entwicklung haben sie am 2. Juni 2015 den (JEC) Innovation Award in der Kategorie "Aeronautics" in Houston erhalten.