Magazin Forschung 2019

40 | PRODUKTION UND SYSTEME
Analyse des Impact-Verhaltens gekrümmter
Strukturbauteile von Luftfahrzeugen zur Entwicklung
eines Strukturüberwachungssystems für
faserverstärkte Kunststoffe – BIRD
Die in Flugvorausrichtung weisenden Bauteile von Luftfahrzeugen sind oftmals durch Einschläge
aufgrund von Vogelschlag, Hagel oder aufgewirbelten Kleinteilen gefährdet. Diese Einschläge,
sogenannte Impacts, weisen bei faserverstärkten Kunststoffen ein stark krümmungs- und
materialabhängiges Verhalten und Schadensausmaß auf. Impact-Schädigungen führen oftmals
zu hohen Reparaturkosten, welche durch eine genauere Kenntnis des Schadens verringert werden
können. Zur Klassifizierung dieser Schädigungen steht dabei vor allem das auftretende Frequenzsignal
des Impacts im Fokus der Untersuchungen.
Einleitung
In Zeiten eines zügigen Entwicklungsfortschritts spielen
sozioökonomische Themen wie erneuerbare Energien,
Ressourcenschonung und Mobilitätswandel eine tragende
Rolle. Ein aufgrund dieser zukunftsträchtigen
Themen stark im Wandel befindlicher Zweig ist das Transportwesen
und im speziellen die Automobil- und Luftfahrtindustrie.
Zur Gewichtsoptimierung und der damit
verbundenen Energieeffizienz werden hier faserverstärkte
Kunststoffe eingesetzt, welche aufgrund ihrer
hohen Festigkeiten und Steifigkeiten, bezogen auf ihre
Dichte, ein großes Leichtbaupotential bieten. Im Bereich
der Luftfahrt sind viele gekrümmte Strukturbauteile,
welche in Flugvorausrichtung zeigen, aus diesem Verbundwerkstoff.
Eben diese Bauteile sind durch Schlag -
belastungen, sogenannte Impacts, gefährdet. Diese
können sowohl durch Vogel- oder Hagelschlag als auch
durch aufgewirbelte Kleinteile bei Start- und Lande -
manövern entstehen und teils beträchtliche, von außen
nicht erkennbare, Schädigungen des Werkstoffs verur -
sachen.
Im Rahmen eines kooperativen Forschungsprojekts
zwischen dem Labor Faserverbundtechnik (LFT) der OTH
Regensburg und dem innovativen Würzburger Sensor -
hersteller iNDTact GmbH werden eben diese Impacts auf
gekrümmte Faserverbundstrukturen im Labormaßstab
simuliert und hinsichtlich ihrer akustischen Emission (AE)
klassifiziert, um ein Strukturüberwachungssystem zu
entwickeln.
eigenschaften wie Steifigkeiten und Festigkeiten – und
dem Aufbau aus mehreren Einzellagen zu einem Laminat,
verhält sich der Faserverbundwerkstoff sehr komplex.
Dies zeigt sich in hohem Maße im progressiven
Versagensverhalten. Bei Versagen werden drei primäre
Versagensmechanismen unterschieden: der Bruch der
Verstärkungsfasern (Fiber Breakage), das Brechen der
lastverteilenden Kunststoffmatrix (Matrix Cracking) und
das Ablösen von Einzelschichten untereinander (Delamination)
(Literaturhinweis: siehe [2], [3], [4]). Bei einer
Schädigung des Bauteils treten diese Versagensmechanismen
stets gekoppelt auf. Für eine Charakterisierung
des Schädigungsvorgangs aufgrund dessen akustischer
Emission müssen daher in einem ersten Schritt die AE
der einzelnen Versagensmechanismen untersucht und
erfasst werden. Unter Verwendung der Universalprüf -
maschine Zwick&Roell ZN250 wurden Prüfkörper und
Testverfahren in Anlehnung an bestehende Versuche zur
Kennwertermittlung zur gezielten Generierung der primären
Versagensformen entwickelt und durchgeführt.
Dabei wurden die Sensoren der zur Messung der emittierten
akustischen Signale während des Schädigungsvorgangs
auf den Prüfkörpern appliziert. Unter Verwendung
von Auswertealgorithmen zur Clusterbildung der erhal-
Vorgehensweise
Um Impacts auf gekrümmte Faserverbundstrukturen
hinsichtlich ihrer akustischen Emission beim Aufprall
charakterisieren zu können, ist eine detaillierte Kenntnis
über das Versagensverhalten des Werkstoffes notwendig.
Aufgrund der vorliegenden Anisotropie des Faserverbundwerkstoffes
– den richtungsabhängigen Material -
Abbildung 1: Exemplarische Messdaten zur Clusterbildung verschiedener
Versagensmechanismen von faserverstärkten Kunststoffprüf -
körpern [1].
(a)
(b)