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3D-strain-sense

SHM von bionischen 3D-Druck-Strukturbauteilen über Direct-to-Shape Ink-Jet-Printing von Dehnungssensoren

Projektbeschreibung

Ultra-Leichtbau ist der Schlüssel für die Umsetzung der Zero-Emission-Strategie der Luftfahrt. Vor allem der Ersatz von Kohlenwasserstoff-basierten durch Elektro-Antriebe mit höherer Anzahl kleinerer Aggregate an aerodynamisch optimalen Positionen am Airframe ändert disruptiv derzeitige Konstruktionsleitlinien, die z.B. thermische Schädigung der Triebwerksbefestigungen am Airframe im Falle von Triebwerksbränden berücksichtigen müssen. Heute bereits verfügbare bionische, gewichtsoptimierte Bauteilauslegung nutzt die Topologie-Optimierung für möglichst gleichmäßig hohe Belastung entlang von Lastpfaden, was damit zu komplexen Freiformgeometrien von Fachwerk-ähnlichen Verstrebungen führt. Deren wirtschaftliche Fertigung ist konventionell (Schmieden, CNC-Zerspanen) kaum möglich und bedarf additiven Fertigungsmethoden (AM, „3D-Druck“) mit den erforderlichen Werkstoffen höchster spezifischer Festigkeit (z.B. TiAl6V4, PEI). Der dabei genutzte lagenweise Aufbau, z.B. aus dem Pulverbett (PBF) oder mit Filamenten (FDM), führt aber gegenüber z.B. Walzprodukten zu signifikant höheren Fehlerdichten (Poren, Einschlüsse, Bindefehler zwischen den Lagen, etc.), welche z.B. gehäuft in Übergängen mit großen Wandstärkenunterschiede (bionische Fachwerkknoten) auftreten. Damit wird sehr aufwendige zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (NDT) erforderlich – vor Einbau mit z.B. Computertomographie und bei jeder Inspektion mit z.B. Ultraschall. Komplex gekrümmte bionische Oberflächen sind dabei nur extrem schwierig und zeitaufwendig manuell prüfbar, was derzeit die Barriere zur AM-Fertigung von (Primär-)Strukturbauteilen darstellt. Structural Health Monitoring (SHM) mit kontinuierlicher sensorischer Überwachung höchstbeanspruchter Bauteil-Bereiche bietet dafür einen höchst wirtschaftlichen Ausweg, fehlt aber bislang speziell für komplexe bionische Freiformoberflächen, z.B. auf Bauteile aufdruckbare Sensorik zur z.B. Dehnungsmessung.

Ziel von „3d-strain-sense“ mit einem transdisziplinären Team von Spezialisten aus KMUs und F&E-Instituten ist daher die Entwicklung von funktionalem Direct-to-Shape-Druck von resistiven Sensoren auf konvexe und konkave Freiformoberflächen mittels Roboter-gesteuertem Inkjet-Druck. Erstmalig werden die zu bedruckenden Teile bei vertikaler Druckrichtung bewegt, um signifikant höhere Präzision und Reproduzierbarkeit gegenüber gekippten Druckköpfen sowie auch den Druck innerhalb von Hüllstrukturen zu ermöglichen (JR). Die Entwicklung von Demonstratoren für Zusatztankhalterungen mit hohem Bedarf in Kleinflugzeugen (Mali-Air in Kooperation mit Eclipse Aerospace und Diamond Aircraft als assoziierte Flugzeughersteller) ermöglicht neben bereits mittelfristigem kommerziellen Projektnutzen (2025) auch die wissenschaftlich-fundierte Ermüdungsprüfung und Versagensuntersuchung an bionischen PBF TiAl6V4- und FDM PEI-Demonstratoren im Labor (MCL) und damit die entscheidende Datenbasis für die Validierung der Prozesssimulation (SinusPro) als essentielle Basis zur AM-Weiterentwicklung speziell für Topologie-optimierte Komponenten mit fertigungstechnisch schwieriger Wärmekonzentration in Fachwerkknoten (JR, Alphacam). Lebensdauervorhersage und Rissfortschrittsrechnung schließen diese Weiterentwicklung von SinusPro zu mittelfristig (2025) kommerziell verfügbarer Software für virtuelle AM-Produktentwicklung („digital twin“) ab – unter Berücksichtigung der Leitlinien zur Bauteilkonzeption für Direct-to-Shape-Printing.

Die Demonstratoren sind zudem Brücke für die langfristige Integration der SHM in den Airframe (und damit für die Integration von AM und damit bionischen Ultra-Leichtbauteilen in die Primärstruktur) bis 2035, wobei weitreichende LOIs von Technologiepartnern und des Verwertungsnetzwerks vor allem im Bereich von Kleinflugzeugen unsere Kommerzialisierungsstrategie abdecken.

Abstract

Ultra-lightweight construction is the key to implementing the zero-emission strategy of aviation. Especially the replacement of hydrocarbon-based by electric engines, e.g. in higher numbers of smaller units at aerodynamically optimal positions on aircraft fuselage and wings, disruptively changes current design guidelines, which e.g. have to take into account thermal damage to the engine mountings on the airframe in case of engine fires. Bionic, weight-optimised component design uses topology optimisation for uniformly high loading along load paths, which thus leads to complex free-form geometries of truss-like struts. Their production is hardly possible or economical by conventional (forging, CNC machining) and requires additive manufacturing methods (AM, "3D printing") with materials of the highest specific strength. However, the layer-by-layer fabrication used in this process, e.g. from the powder bed (PBF) or with filaments (FDM), leads to significantly higher defect densities (pores, inclusions, binding defects between the layers, etc.) compared to e.g. rolled products, which occur frequently in transitions with large wall thickness differences (bionic truss nodes). This requires highly elaborated non-destructive testing (NDT), i.e. before installation with e.g. computer tomography and at each inspection with e.g. ultrasound. Complex curved bionic surfaces are extremely difficult and time-consuming to inspect manually, which is currently the barrier to AM production of (primary) structural components.
Structural health monitoring with continuous sensory monitoring of highly stressed component areas offers a highly economical potential solution, but is not yet available, especially for complex bionic free-form surfaces. Sensors that can be printed directly onto components, e.g. for strain measurement, are already lacking to supplement fatigue testing in the design phase.

The aim of "3d-strain-sense" with a transdisciplinary team of specialists from SMEs and R&D institutions is therefore the development of functional direct-to-shape printing of resistive sensors on convex and concave free-form surfaces using robot-controlled inkjet printing. For the first time, the parts to be printed are moved around the vertical printing nozzle to achieve significantly higher precision and reproducibility compared to tilted print heads (JR). The development of demonstrators for customer-requested additional tank mounts in small aircraft (Mali-Air in cooperation with Eclipse Aerospace and Diamond Aircraft as associated aircraft manufacturers) enables not only medium-term commercial project benefits (2025), but also scientifically-based fatigue testing and the development of a new printing process. The project will also enable scientifical insight during fatigue and failure testing on bionic PBF TiAl6V4 and FDM PEI demonstrators (MCL) and thus a decisive data basis for the validation of process simulation (SinusPro) as an essential basis for further AM development, especially for topology-optimised components with difficult heat concentration in truss nodes from a manufacturing point of view (JR, Alphacam). Lifetime prediction and crack propagation calculation complete this further development of SinusPro into commercially available software for virtual AM product development ("digital twin") in the medium term (2025) - taking into account the guidelines for component design for direct-to-shape printing.

The demonstrators are also a bridge for the long-term integration of SHM into the airframe (and thus for the integration of AM and thus bionic ultra-lightweight components into the primary structure) by 2035, with far-reaching LOIs from technology partners and the exploitation network covering the crucial commercialisation steps, especially in the area of small aircraft.

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