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Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe im Flugzeugbau

Wie sich CFK-Bauteile im Flug verformen

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Sie kommen im Flugzeugbau immer häufiger zum Einsatz, doch über das Verhalten kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK) im Flug ist bislang wenig bekannt. Diese Lücke schließen nun Fraunhofer-Forscher.

Wie verhalten sich CFK-Bauteile bei unterschiedlichen Flugmanövern? Darüber liegen bisher keine exakten Werte vor. Fraunhofer-Forscher haben nun im Rahmen des Clean-Sky-Programms mit Hilfe eines auf Lichtwellenleitern basierenden Messaufbaus exakt nachgewiesen, wie stark sich CFK-Teile während des Fliegens verformen.

Bei Testflügen haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt optische Messverfahren eingesetzt. Dabei senden Messgeräte an optische Fasern einen Lichtimpuls, der von den Messstellen zurück an das Gerät reflektiert wird. Bei Dehnung verschiebt sich die Wellenlänge der Lichtreflexion. Daraus lassen sich auch minimale Verformungen bis auf Nanometer genau berechnen.

Ziel der Messflüge war es, robuste Daten zu erhalten, die mit den theoretischen Berechnungen über das Flugverhalten von CFK verglichen werden können. Die realen Daten benötigen Flugzeugbauer, um Bauteile exakt so zu bauen, dass sie den im jeweiligen Flugzeugmodell auftretenden Belastungen standhalten. Das gelingt bisher nur näherungsweise. Deshalb integrieren Flugzeugbauer CFK sicherheitshalber überdimensioniert in neue Modelle.

Umgebaute ATR 72-600 als Testflugzeug

Bei den Flugtests konnten die Forscher jedem einzelnen Flugmanöver eine eindeutige CFK-Verformung zuordnen. "Die Werte waren so exakt, dass man auch von den Dehnungssignalen auf das Flugprofil hätte schließen können", sagt Oliver Schwarzhaupt vom Fraunhofer LBF. Zudem sei es mit diesem System möglich, die Struktur während des Flugs auf ihren Zustand hin zu überwachen. "Ändert sich das im Verformungsverhalten, kann das auf Schäden hindeuten. Mit einer solchen Strukturüberwachung könnte man Bauteile deutlich länger im Einsatz belassen", sagt Conchin Contell Asins, Wissenschaftlerin am Fraunhofer LBF.

Als Testflugzeug diente ein Mittelstreckenmodell für etwa 70 Passagiere - eine ATR 72-600. Sie wurde gemeinsam vom italienischen Flugzeugbauer Alenia Aermacchi und dem französisch-italienischen Regionalflugzeugkonsortium ATR umgebaut. Für die Flüge wurde eine etwa fünf Mal drei Meter lange CFK-Sektion im oberen Rumpfbereich eingesetzt, eines der am stärksten belasteten Bauteile beim Flug. Die optischen Messfasern legten die Forscher an der zum Flugzeuginnenraum gewandten Seite an. 

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