Zerstörungsfreie Prüfung von Mikrodefekten in primären Strukturen aus Verbundwerkstoffen ermöglicht umweltfreundlichere und zuverlässigere Flugzeuge
Verbundwerkstoffe werden seit den 1970er Jahren in kleinen Mengen in der zivilen Luftfahrt eingesetzt. In der Herstellung sicherheitsrelevanter tragender primärer Strukturen (Komponenten oder Unterbaugruppen, die notwendig sind, um das komplette Fluggewicht inklusive der Nutzlast statisch tragen zu können) kommen Verbundwerkstoffe jedoch erst in der jüngsten Generation moderner Flugzeuge wie dem Airbus A380 in größeren Mengen zum Einsatz. Vorangetrieben wird diese Entwicklung durch Verbesserungen des Verhältnisses Belastbarkeit zu Gewicht. Verbundwerkstoffe ermöglichen im Vergleich zu bisher üblichen Metallen Einsparungen bis zu 20 Prozent. Der Einsatz solcher Materialien hilft somit, den Treibstoffverbrauch pro Passagier um bis zu 17 Prozent im Vergleich zu Flugzeugen des gleichen Typs zu senken.
Der sichere und zuverlässige Einsatz entsprechender Leichtbauverbundwerkstoffe ist auf die Unterstützung durch Forschung an neuen zerstörungsfreien Prüfverfahren angewiesen, welche die Charakterisierung und Prüfung von defekt induzierten Ausfallmechanismen ermöglichen. Europa hat kürzlich das dreijährige Forschungsprojekt EVITA mit einem Budget von 1,55 Millionen Euro gestartet. Ziel ist, die fortgeschrittenen Phasenkontrast-Röntgen-Detektionsverfahren für die Prüfung von großflächigen dicken Verbundwerkstoffstrukturen zu entwickeln. Das Projektkonsortium wird vom CSEM koordiniert und vereint Industriepartner sowie akademische Partner.
Abgesehen in der Rennwagenkonstruktion war der Einsatz von Verbundwerkstoffkonzepten lange Zeit auf nicht strukturkritische sekundäre Komponenten beschränkt. Zivile Luftfahrtunternehmen zeigten sich bis dahin sehr zurückhaltend in deren Einführung in primären tragenden Strukturen. In den frühen 2000er Jahren, mit zunehmender Erfahrung im Einsatz von Verbundwerkstoffen und aufgrund der Vorgaben des Umweltschutzes (vorangetrieben durch ACARE – Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe mit Emissionsreduktionsvorgaben von 50 % Reduktion CO2 und 80 % NOx bis 2020) stieg die strategische Bedeutung der konsequenten Nutzung des Potentials von Verbundwerkstoffen für alle Flugzeughersteller. Moderne Materialien entwickeln sich typischerweise viel schneller als die dazu passenden analytischen Charakterisierverfahren. Aus diesem Grund stützt sich die Flugzeugindustrie nach wie vor auf Spezifikationen aus dem Metallbau, sogar wenn Leichtbaumaterialien mit ganz anderen mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden. Zuverlässige und effiziente Inspektionsverfahren werden auch vermehrt von Fluggesellschaften gefordert, welche Interesse am Einsatz von Verbundwerkstoffen in Reparaturen von beschädigten Primärstrukturen zeigen. Das EU-Projekt EVITA adressiert den Mangel an zerstörungsfreien Prüfverfahren für nichtmetallische Verbundwerkstoffe bis zu Defektgrößen von einigen Mikrometern während der gesamten Lebensdauer.
Die Entwicklung dieser neuen zerstörungsfreien Prüftechnik soll es, den Erwartungen der CSEM-Projektkoordinatorin Dr. Ana Maria Madrigal zufolge, erlauben, in Zukunft deutlich leichtere Flugzeuge zu bauen. Es wird eine deutliche Senkung der Toleranz-Defektschwelle für primäre Verbundwerkstoffstrukturen ermöglicht und demnach werden kleinere Sicherheitsfaktoren (Verhältnis zwischen Bruchspannung und der geschätzten maximalen Spannung unter normalen Flugbedingungen) in der Designphase anwendbar.
Der Mangel an effizienten zerstörungsfreien Testmethoden für die Analyse und die Beherrschung von Ausfallmechanismen zwingt die Industrie, primäre Strukturkomponenten mit überhöhten Sicherheitsfaktoren zu entwickeln, womit das Potential zur Gewichteinsparung durch Verbundwerkstoffe nur ungenügend ausgeschöpft wird. EVITA wird Lösungen erarbeiten für die Erkennung von mikroskopischen Rissen, Schichtablösung, Poreneinschlüsse bis zu 1 Prozent und wellenförmige Faserdeformationen innerhalb der Verbundwerkstoffstrukturen. Dies erlaubt die Reduktion der Sicherheitsfaktoren während der Designphase ohne einschränkende Kompromisse für die Sicherheit. Zusätzlich wird präzisere und zuverlässigere Schadensdetektion aus dem Flugbetrieb ermöglicht, so dass effiziente Reparaturprozesse auch für kritische primäre Strukturkomponenten angewendet werden können.
Das Projektkonsortium leistet einen entscheidenden internationalen Beitrag in der Erforschung marktrelevanter Umsetzung. Durch die Partner wird der Fortschritt in modernen Verbundwerkstoffmaterialien und Verarbeitungsprozessen vorangetrieben.
CSEM, Dr. Ana Maria Madrigal
Rue Jaquet Droz 1, CH-2002 Neuchâtel
