Zuverlässige und robuste Systeme zur Strukturüberwachung tragen zu signifikanten Einsparungen des Strukturgewichts bei. Eine Potenzialanalyse am Beispiel eines Seitenleitwerks zeigt, dass Gewichtseinsparungen von über 5 % erreichbar sind, wenn ein Strukturüberwachungssystem im Design berücksichtigt wird. Dabei ist ein Seitenleitwerk nicht der typische Bereich einer Strukturüberwachung und es ist zu erwarten, dass weit höhere Gewichtsreduktionen an Komponenten erreichbar sind, deren Auslegung überwiegend vom Schadenstoleranz-Kriterium bestimmt ist. Durch die Reduktion des Strukturgewichts können effizientere Strukturen ausgelegt werden, die zur wiederum zur Reduktion des Treibstoffverbrauchs und zur Senkung von Schadstoffausstößen beitragen..
Erfassbarkeit bestimmt Design
Schäden an Faserverbund-Strukturen können vielfältige Ursachen haben und sich unterschiedlich auswirken. Ihre zuverlässige Detektion hängt zum einen von der Schadensmorphologie (im Wesentlichen die Größe) und zum anderen vom angewendeten Inspektionsverfahren ab. Eine schadenstolerante Auslegung fordert, dass Defekte, die kleiner als der zuverlässig erfassbare Schaden sind, von der Struktur „toleriert“ werden müssen. Aufgrund der Einschränkungen der heute etablierten Sichtprüfung werden relativ große Schäden als tolerierbar eingestuft, da nur diese detektierbar sind. Dies hat eine Überdimensionierung vieler Komponenten zur Folge. Die Integration von fortschrittlichen Systemen zur Strukturüberwachung (Structural Health Monitoring – SHM) ermöglicht hingegen die Detektion kleinerer Defekte. Auf diese Weise können unnötige Reserven abgebaut werden, was zu einer Reduktion der Laminatdicken und damit des Strukturgewichts führt.
Gewichtseinsparungspotenzial am Seitenleitwerk
Für die Analyse wurde ein SHM-System basierend auf geführten Ultraschallwellen angenommen und defineirt, dass dieses SHM-System mittels piezoelektrischen Sensoren Defekte größer als 300mm² (Sichtprüfung: 600mm²) zuverlässig detektieren kann. Auf Basis dieser Randbedingungen wurde die Außenhaut eines Seitenleitwerks neu dimensioniert. Unter Berücksichtigung des zusätzlich durch das SHM-System eingebrachten Gewichts, wurde ein Gewichtseinsparungspotenzial von etwa 5 % ermittelt. Aufgrund der geringen Ausgangsdicke der Struktur ist dieser Wert als beachtlich zu bewerten. Die Auslegung dickerer Komponenten wird weniger von Stabilitätskriterien bestimmt, sondern eher vom Schadenstoleranz-Kriterium. Derartige Strukturen versprechen ein noch höheres Gewichtseinsparungspotenzial. Neben den Gewichtseinsparungen verspricht die Kombination von SHM-Systemen mit einer automatischen Schadensbewertung zukünftig eine Unterstützung der Wartungs- und Instandsetzungsprozesse. Auswirkungen auf die Reduktion von Standzeiten bedürfen allerdings weiterer Untersuchungen.
