Datenmodellierung sichert die Lebensfähigkeit von Luftfahrzeugkomponenten
Thermoplaste werden aufgrund ihrer Festigkeit, Haltbarkeit und Ermüdungsfestigkeit in vielen Branchen eingesetzt. Darüber hinaus bieten sie Kosteneffizienz und eine verbesserte Nachhaltigkeit aufgrund ihrer Recycelbarkeit. „Im Gegensatz zu herkömmlichen Duroplasten können Thermoplaste mehrfach geschmolzen und umgeformt werden“, erklärt der TREAL-Projektkoordinator Albert Turon von der Forschungsgruppe AMADE der Universität Girona in Spanien. Sie können genau genommen nahezu unbegrenzt geschmolzen und neu gegossen werden, was dazu beiträgt, Kunststoff aus den industriellen Abfallströmen herauszunehmen.
Thermoplastische Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt
Das TREAL-Projekt wurde ins Leben gerufen, um den Luft- und Raumfahrtsektor dabei zu unterstützen, das Potenzial dieser Materialien besser zu nutzen. Erreicht wurde dies durch die Entwicklung neuer Analysemodelle zur Vorhersage des Verhaltens von Verbundwerkstoffen mit Thermoplasten und durch die Schaffung einer Plattform für nummerische Prüfverfahren, die bei der Herstellung und Konstruktion dann genutzt werden können. „Unser Ziel war es, eine zuverlässige virtuelle Modellierungsplattform zu schaffen, die in der Lage ist, alle Schadens- und Versagensmöglichkeiten dieser neuen thermoplastischen Materialien effizient vorherzusagen“, sagt Turon. „Eines der Haupthindernisse für die breite Einführung von Thermoplasten sind Leistungserwägungen und die Schwierigkeiten bei der Einführung effizienter Herstellungsverfahren.“
Auf der Zuverlässigkeit basierende nummerische Materialanalyse
Das Projekt begann mit der Fertigung hochwertiger thermoplastischer Platten für Luftfahrzeuge und der Entwicklung eines experimentellen Prüfprotokolls für diese Platten, d. h. der Ermittlung zulässiger Belastungs-, Dehnungs- oder Steifigkeitsgrenzwerte für bestimmte Luftfahrzeugkonfigurationen und -bedingungen. Parallel dazu wurde ein neuartiges nummerisches Schadensmodell für thermoplastische Werkstoffe entwickelt, mit dem die Schadens- und Versagensmechanismen dieser neuen Werkstoffe genau vorhergesagt werden können. Letztendlich sollte gezeigt werden, dass eine solche auf Zuverlässigkeit basierende nummerische Analyse den Bedarf an teuren und zeitraubenden physischen Strukturtests irgendwann ersetzen oder zumindest verringern könnte. An neuartigen thermoplastischen Verbundwerkstoffen wurden zahlreiche experimentelle Tests durchgeführt, um das Verhalten und die zulässigen Grenzwerte zu verstehen. Die nummerischen Modelle wurden anschließend validiert, um festzustellen, wie genau sie das mechanische Verhalten dieser Materialien vorhersagen können.
Quantifizierung und Management von Unsicherheiten bei der Luftfahrzeugentwicklung
Im Rahmen von TREAL ist es gelungen, eine effiziente Methodik zur Bestimmung von „Konstruktionszulässigkeiten“ auf der Grundlage von Simulationsansätzen zu definieren. „Im TREAL-Projekt konnten wir die Quantifizierung und das Management von Unsicherheiten entlang der gesamten Entwicklungskette umsetzen“, fügt Aravind Sasikumar von der Universität Girona hinzu, der diesen Teil des Projekts leitete. „Dies reichte von der Quantifizierung von Unsicherheiten bei den Materialeigenschaften bis hin zur Entwicklung präziser Analysewerkzeuge und -verfahren, um diese Unsicherheiten effizient zu propagieren und zuverlässige Konstruktionszulässigkeiten zu erhalten. Das sind wichtige Informationen für Materialkonstrukteure und Luftfahrzeughersteller, damit diese die nächste Generation von Luftfahrzeugen mit der erforderlichen Sicherheit konstruieren können.“ Um diese Ergebnisse zugänglich zu machen, wurden die verschiedenen vom Team entwickelten Analysemethoden in einer Softwareplattform unter Digimat zusammengefasst. Digimat ist eine hochmoderne Multiskala-Plattform zur Materialmodellierung, die dem Ingenieurwesen hilft, Verbundwerkstoffe schnell und kostengünstig zu entwerfen und zu optimieren. Der nächste Schritt ist die vollständige Integration dieser nummerischen Analysewerkzeuge in die Prozesse der Quantifizierung und des Managements von Unsicherheiten in den verschiedenen Phasen der Entwicklung neuer Luftfahrzeugkomponenten. „Der von uns entwickelte Ansatz wird dazu beitragen, die Vorlaufzeit für die Produktentwicklung zu verkürzen, den Umfang ausgedehnter Versuchskampagnen zu verringern und das Vertrauen in die ermittelten Grenzwerte für Spannung, Dehnung oder Steifigkeit zu erhöhen“, sagt Sasikumar. „Wir hoffen, dass diese virtuelle Datenmodellierung schließlich in die Konstruktion von Luftfahrzeugen der nächsten Generation einfließt.“
Schlüsselbegriffe
TREAL, Luftfahrzeug, Luft- und Raumfahrt, Thermoplaste, Verbundwerkstoffe, Quantifizierung und Management von Unsicherheiten, Digimat
