1
Case StudyRobustSkin
Material- und Prozesslösungen für eine neuartige Tragflächenbauweise basierend auf bionischen Prinzipien
Die Gewichtsreduktion ist der zentrale Ansatz für ein ökoeffizientes Fliegen. Daher bestand das Projektziel darin, ein innovatives Leichtbaukonzept als Voraussetzung für einen nachhaltigeren Luftverkehr zu schaffen. Als Vorbild und Inspiration aus der Natur wurde das bionische Prinzip eines Libellenflügels herangezogen. Die Übertragung dieses Prinzips von der Natur in die Luft- und Raumfahrt ist gerade für Entwicklungen neuer Fluggeräte von Bedeutung, wie langsam fliegende Luftfahrzeuge, beispielsweise der Zephyr, oder in der Urban Air Mobility.
Motivation
Ziel des Projekts war eine ökoeffiziente Neuausrichtung des Lufttransports, wobei die Gewichtsreduktion eine zentrale Rolle spielte.
Vorgehen
Forschung und Entwicklung sind ein wichtiger Faktor, um in Sachen ökoeffizientes Fliegen große Fortschritte zu erzielen. Das Transportwesen kann so zukünftig nachhaltig aufgestellt werden.
Motivation
Effizienter Leichtbau für Flügel durch bionische Konzepte
Ziel des Vorhabens war eine Einsatzerweiterung und Effizienzsteigerung der faserverstärkten Kunststoffe in der Luftfahrt mit dem Ziel der Verbrauchsminimierung. Aktuell verwendete Flügel-Faserverbundlaminate sind derzeit durch Impactereignisse (z.B. Hagel) und damit einhergehende Schadenstoleranz-Anforderungen überdimensioniert, was dünnwandige und leichtere Bauweisen verhindert. In Grundlagenuntersuchungen (bis TRL 3) sollte stattdessen eine der Natur (Libellenflügel) entlehnte, alternative Leichtbauweise betrachtet werden. Geeignete Simulationen sollen hierbei den minimal nötigen Materialeinsatz beleuchten.
Lösungsansatz
Über Material- und Impact-Tests zum Flügel im technischen Maßstab
In der ersten Phase wurden die Materialeigenschaften anhand von Zugversuchen validiert. Hierbei wurden Steifigkeiten, Festigkeiten und Dehnungen bis zum Bruch aufgenommen. Weiterhin wurde das zyklische Verhalten analysiert. In der zweiten Phase wurden die unverstärkten Membranmaterialien mittels Impact-Versuchen charakterisiert, um das intrinsische Materialverhalten bei unterschiedlichen Aufprallenergien und unterschiedlicher biaxialer Vorspannung zu definieren. In der dritten Phase erfolgten die Impact-Versuche mit der faserverstärkten Membran. In der letzten Phase entstand ein Flügel in Originalgröße, um die Auswirkungen der einzelnen Parameter festzustellen.
Vorgehen
Hierarchisch verstärkte, vorgespannten Membran-Strukturbauweise
Projektergebnis ist eine neuartige Strukturbauweise, die auf einer hierarchisch verstärkten, vorgespannten Membranlösung basiert. Diese besteht aus einer Versteifungsstruktur aus lastoptimierten kohlenstofffaserverstärkten Profilen (Gridstruktur), die auf eine vorgespannte Membran aufgebracht werden (Skinstruktur).
- Passende Materialauswahl: Die Bewertungen erfolgten anhand von Zugprüfungen und mechanischen Impact-Tests im vorgespanntem biaxialem Zustand.
- Eigener Prüfstand: Durch die Entwicklung eines eigenen Prüfstands konnten besondere Belastungen, wie zum Beispiel Hagelschlag nachgestellt werden.
- Numerische Modellierung und Simulation: Die realen Ergebnisse wurden mit der Simulation verglichen, um bestmögliche Vorhersagen zu generieren.
Projektträger: Bayerische Forschungsstiftung | Förderkennzeichen: AZ-1524-21
Partner: Technischen Universität München; Airbus Defence and Space GmbH