Archiv für den Monat: März 2016

Messtechnik – leichtere Bauteile

Mit dieser Messtechnik können Flugzeuge weiter abspecken

Überstehen die neuen faserverstärkten Kunststoffteile den Flug in die USA schadlos? Sind die Bauteile nicht überdimensioniert? Darmstädter Wissenschaftler wissen das jetzt dank optischer Messmethoden auf den Tausendstel Millimeter genau. Jetzt können die Bauteile der Zukunft deutlich schlanker und damit noch leichter werden.

Montage eines Airbus A350

Montage eines Airbus A350 in Toulouse: Im Flugzeugbau werden viele Bauteile aus CFK eingesetzt, um Gewicht zu sparen. Ein neues Messverfahren erlaubt, diese meist überdimensionierten Teile leichter zu konstruieren.

Foto: Alexandre Doumenjou/Airbus

Wo es nur geht setzen Flugzeugbauer mit Kohlenstofffasern verstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) ein, um Gewicht und damit Treibstoff zu sparen. Sicherheitshalber werden die Bauteile deutlich überdimensioniert, weil die Reaktion des hochfesten und leichten Materials nicht sicher berechenbar ist. Das wollen Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit in Darmstadt jetzt ändern.

Sie ließen ein Stück der oberen Rumpfverkleidung des 70-sitzigen Mittelstreckenflugzeugs ATR-72-600 herausschneiden und ersetzten es durch ein Bauteil aus CFK. Um dessen Bewegungen während unterschiedlicher Flugmanöver exakt zu dokumentieren, statteten sie das Bauteil mitzahlreichen Sensoren aus, die die Dehnungen messen, die etwa durch die sich ändernde Druckdifferenz zwischen drinnen und draußen sowie auf dem Boden und in Reiseflughöhe entstehen.

Konventionelle Messtechnik ist zu ungenau

Normale Dehnungsmessstreifen, die bei Verformung ihren elektrischen Widerstand ändern, waren dem Team um die Werkstoffforscherin Conchin Contell Asins zu ungenau. Sie entschieden sich für eine optische Methode. Sie klebten auf die Stellen, an denen sie besonders große Verformungen im Millimeterbereich vermuteten, Lichtwellenleiter auf. Diese haben die Eigenschaft, die Frequenz von Licht zu verändern, das eingeleitet und am Ende von einem Spiegel reflektiert wird.

Als Testflugzeug diente den Fraunhofer-Ingenieuren das Mittelstreckenflugzeug ATR-72-600 des italienischen Herstellers Alenia. Für die Flüge wurde ein etwa 5×3 Meter langes CFK-Bauteil eingesetzt. Dieser Bereich ist eines der am stärksten belasteten Bauteile beim Flug.

Foto: Alenia Aermacchi

Daraus lassen sich die Verformungen berechnen, und zwar auf Tausendstel Millimeter genau. Die Messflüge fanden im Rahmen einer Forschungsinitiative der Europäischen Kommission und der europäischen Luftfahrtindustrie statt.

Vergleich von Praxis und Theorie

„CFK-Strukturen verhalten sich während eines Flugs anders als Aluminium“, schildert Contell Asins. Ziel war es, Messdaten zu erhalten, um sie mit den Werten zu vergleichen, die bei Berechnungen des Verformungsverhaltens ermittelt werden. Die Messdaten wurden noch an Bord mit den Werten korreliert, die die Blackbox liefert, etwa Geschwindigkeit, Kursänderungen, Flughöhe und Geschwindigkeit. „Die Werte waren so exakt, dass man von den Dehnungssignalen auf das Flugprofil hätte schließen können“, sagt Oliver Schwarzhaupt, der zum Team gehört.

Die optische Messtechnik kann auch genutzt werden, um die Funktionsfähigkeit der Bauteile während des Routinebetriebs zu beobachten. Schäden sind, anders als bei metallischen Bauteilen, schwer zu erkennen, weil sie im Inneren entstehen. „Ändert sich das Verformungsverhalten, kann das auf Schäden hindeuten. Mit einer solchen Strukturüberwachung könnte man Bauteile deutlich länger im Einsatz belassen“, sagt Contell Asins. Und noch mehr Geld sparen.

 

Quelle: http://www.ingenieur.de/Fachbereiche/Mess-Prueftechnik/Mit-Messtechnik-koennen-Flugzeuge-abspecken vom 16.03.2016

 

SUPERGLEITMITTEL für Maschinen

Mit Graphen als Schmierstoff könnten Automotoren ewig halten

Motoren und Maschinen, die ewig halten, wären für Hersteller wohl eine Horrorvision. Und doch könnten Automotoren und Maschinen künftig fast ohne Reibung laufen, wenn es wirklich gelingt, Graphen als Schmiermittel einzusetzen.

Graphen-Nanoband

Ein Graphen-Nanoband wird mithilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops über eine Goldoberfläche gezogen. Dabei werden nur extrem kleine Reibungskräfte beobachtet.

Foto: Universität Basel/Departement Physik

Automotoren begnügen sich mit weit weniger Sprit als heute, der Wirkungsgrad von Elektromotoren nähert sich der 99-Prozent-Marke und große Maschinen in Fabriken verbrauchen erheblich weniger Strom als heute: Eine solche Vision ist keineswegs mehr utopisch. Das oft als Wundermaterial bezeichnete Graphen gleitet nahezu reibungslos über andere Werkstoffe.

Theoretisch und praktisch haben das jetzt Wissenschaftler der Universität Basel und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) nachgewiesen. Ließen sich die beweglichen Teile von Lagern mit Graphen überziehen, sänke der Verschleiß auf nahezu Null. Zusätzliche Schmiermittel wären überflüssig. Automotoren etwa hielten problemlos viele Hunderttausend Kilometer durch.

Graphen ist reißfester als Stahl

Graphen ist eine besondere Form des Kohlenstoffs. Im Idealfall ist es eine Matte, die nur eine Atomlage dick ist. Sie besteht aus Kohlenstoffatomen, die im Sechseck angeordnet sind und einer Bienenwabe ähneln. Graphen ist reißfester als Stahl, lässt sich als Halbleiter einsetzen, ist hitzefest, beständig gegen Strahlung und viele Chemikalien sowie undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten. Und eben extrem gleitfähig.

Graphen-Nanoband unter dem Elektronenmikroskop.

Foto: Universität Basel

Die Forscher in Basel stellten unterschiedlich große Matten aus Graphen her. Mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops, das bei normaler Anwendung Oberflächen abtastet und so gut sichtbar macht, dass selbst einzelne Atome erkennbar sind, zogen sie die Matten über eine Oberfläche aus Gold. Die dazu notwendige Kraft war unvorstellbar klein. Sie lag je nach Zugrichtung zwischen 2 und 200 Piconewton (ein Piconewton ist ein Billionstel Newton, ein Newton wiederum etwa ein Zehntel Kilogramm). Diese Kraft blieb bei allen Mattengrößen gleich.

Eierkartons zur Veranschaulichung

„Man kann sich Supergleitfähigkeit an Hand von Eierkartons verdeutlichen, die man gegeneinander bewegt“, schildert Professor Werner Meyer, der die Forschungsarbeit leitet. „Verkeilen sie sich, ist die Reibung extrem groß. Aber wenn man sie etwas dreht, haben sie nur noch wenige Berührungspunkte und eine viel geringere Reibung.“

Lookheed Martin hat einen Graphen-Filter entwickelt, der Wasser und Salz trennen kann. Das Verfahren braucht nur noch wenig Energie.

Foto: Lockheed Martin

Dass sie die physikalischen Vorgänge der Supergleitfähigkeit verstanden haben, bewiesen die Forscher durch eine Computersimulation. Dabei bildeten sie die Oberflächen von Gold und Graphen mit mathematischen Algorithmen nach. Das Ergebnis stimmte fast hundertprozentig mit dem der Experimente überein. „Unsere Resultate ebnen den Weg für die Verwirklichung von reibungsfreien Beschichtungen“, schreiben die Wissenschaftler in ihrem Abschlussbericht. Jetzt wollen sie das Reibungsverhalten von Graphen auf den Oberflächen anderer Werkstoffe erforschen.

Graphen lässt sich aber nicht nur als Schmiermittel einsetzen. US-Forscher haben mit dem Kohlenstoff die kleinste Leuchte der Welt konstruiert. Graphen ist ideal als Flammschutzmittel und kann Oberflächen vor Korrosion schützen. Lockheed Martin will Meerwasser durch Graphen-Filter entsalzen, und der Autobauer Tesla soll an einer Batterie auf Graphen-Basis arbeiten.

Quelle: http://www.ingenieur.de/Themen/Werkstoffe/Mit-Graphen-Schmierstoff-koennten-Automotoren-ewig-halten vom 11.03.2016