Sandwich ist Trumpf

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Das höchste Leichtbaupotenzial für großflächige beulgefährdete Strukturen bieten Sandwichmaterialien. Diese bestehen aus extrem steifen und festen Decklagen, die durch einen leichten Sandwichkern auf Abstand gehalten werden. Solche Hochleistungs-Sandwichstrukturen aus CFK-Deckschichten mit einem Stützkern aus Polymerschaum entwickeln auch die Forscher des Fraunhofer IWM in Halle. Ziel ihres Verbundprojekts ist es, hoch beanspruchte und sicherheitsrelevante Flugzeugstrukturen zu erzeugen.

Doch um feststellen zu können, ob die neuen Strukturen auch wirklich halten, müssen geeignete Prüfmethoden her. Die Wissenschaftler erarbeiten daher Konzepte, wie sich die Schadenstoleranz der Materialien testen lässt und analysieren mit speziellen Berechnungsverfahren die Beständigkeit der Bauteile gegenüber den starken mechanischen und thermischen Wechselbelastungen im Einsatz.

Bauteile im Flugzeugbau müssen leicht, aber auch sicher, stabil und zuverlässig sein. © Bernd Müller / Fraunhofer Gesellschaft

Extreme Belastungen in Luft- und Raumfahrt n

Für Anwendungen in der Raumfahrt ist jedes eingesparte Kilogramm Strukturgewicht extrem kostbar. Im Bereich der Antriebssysteme beispielsweise sind die Materialien höchsten Temperaturen bis über 2.000°C ausgesetzt. Hier spielen leichte Faserverbundmaterialien mit keramischer Matrix (Ceramic Matrix Composites – CMC) ihre besonderen Eigenschaften aus. Sie besitzen bei diesen Extremtemperaturen sogar höhere Festigkeiten als bei Raumtemperatur und sind zudem korrosionsbeständig und schadenstolerant.

Die Eigenschaften solcher Materialien können die Forscher bei bis zu 2.000 °C prüfen und daraus die optimale Anordnung der Verstärkungsfasern und das Verhalten im Einsatz exakt berechnen. Die Daten und Modelle haben unter anderem gezeigt, dass winzige Unreinheiten im Material, so genannte mikrostrukturelle Störungen, eine besondere – positive – Rolle für die gute Schadenstoleranz sind. Diese Erkenntnisse und Methoden können zukünftig nicht nur in der Raumfahrt sondern auch für die Verbesserung anderer Anwendungen, wie beispielsweise keramischen Bremsscheiben im Auto, genutzt werden.

Prüfung ist entscheidend

Bisher kann die Festigkeit beispielsweise von Bauteilen in Autos, Flugzeugen oder Windrädern meist nur stichprobenartig in bestimmten Abständen untersucht werden. Idealer wäre es jedoch, wenn sich die Bauteile auch während des Betriebs überwachen ließen. Genau an solchen so genannten Structural-Health-Monitoring-Methoden wird zurzeit bereits gearbeitet, unter anderem durch Forscher vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF. Sie prüfen beispielsweise damit, ob Leichtbaumaterialien auch wechseldynamischen Belastungen standhalten und wie sie zu dimensionieren sind und entwickeln Monitoringsysteme zur Strukturüberwachung.