Optimierung der Lasteinleitung in Sandwichstrukturen

Sandwichstrukturen bieten aufgrund ihrer sehr hohen spezifischen Steifigkeit ein sehr großes Leichtbaupotenzial und kommen daher in vielen Luft- und Raumfahrtstrukturen zum Einsatz. Eine wesentliche Herausforderung bei der Gestaltung von Sandwichbauteilen ist die Lasteinleitung von lokalen Kräften, die an den Verbindungstellen zum Sandwich auftreten. Der meist sehr weiche Sandwichkern und die dünnen Deckhäute können nur sehr begrenzt lokale Lasten aufnehmen. Daher werden in den Lasteinleitungsbereichen sogenannte Inserts verwendet, meist einfache Lasteinleitungsstrukturen wie Hülsen oder Buchsen, die in die Sandwichstruktur eingesetzt werden. In der Anwendung verfügen Sandwichbauteile über eine Vielzahl von Verbindungsstellen, weshalb hier ein hohes Potenzial zur Gewichtsreduzierung besteht.

Im Projekt BLANCA werden unter Einsatz von additiver Fertigung und optimierter struktureller Klebung neue Lasteinleitungsstrukturen entwickelt, die hinsichtlich des Gewichts und der Effektivität der Lasteinleitungen optimiert sind. Durch die Weiterentwicklung der virtuellen und physikalischen Prüfung soll darüber hinaus der Strukturnachweis entsprechender Luftfahrtstrukturen effizienter und robuster gestaltet und soweit möglich mit Hilfe validierter und verifizierter Simulationsmodelle virtualisiert werden. Dazu werden analytische und numerische Methoden zur Modellierung und Simulation des Material- und Strukturverhaltens unter Strukturlast entwickelt und über ein Proben- und Testprogramm validiert. Damit gelingt neben einer Kostenreduktion im Zuge der Bauteilentwicklung auch eine Einsparung wertvoller Ressourcen, da eine geringere Anzahl physikalischer Prüfungen im Rahmen der Validierung notwendig ist.

Kriterienableitung zur Bauteilentwicklung

• Definition von Anforderungen und Formulierung eines Lastenheftes
• Gestaltungs-, Prozess- und Materialauswahl

Strukturelles Kleben

• Charakterisieren der Oberflächentopographien von additiv gefertigten metallischen Bauteilen und Entwicklung geeigneter Oberflächenvorbehandlungsverfahren zur Erzielung hoher Klebefestigkeiten unter statischen und Ermüdungslasten
• Coupon- und Elementversuche zur Bestimmung universeller Kennwerte von Klebstoffen
• Entwicklung und Validierung einer möglichst zuverlässigen und robusten Berechnungsmethode zur Vorhersage der mechanischen Eigenschaften komplexer Klebeverbindungen

Additiv gefertigte Lasteinleitung

• Materialcharakterisierung von additiv gefertigten metallischen Bauteilen unter Berücksichtigung der Richtungsabhängigkeit und verschiedener Belastungsarten
• Modellierung des Material- und Versagensverhalten
• Strukturoptimierung von Lasteinleitungselementen unter Berücksichtigung luftfahrtrelevanter Anforderungen (z.B. Damage Tolerance, Multiple Loadpath)

Sandwichbauteil

• Experimentelle Charakterisierung des Material- und Versagensverhalten von Deckhaut und Wabenkern durch Versuche auf Coupon-Ebene
• Modellierung des Material- und Versagensverhaltens und Validierung der Berechnungsmodelle durch Versuche auf Element-Ebene
• Strukturoptimierung mittels FEM zur Gewichtsreduktion

Baugruppe

• Umsetzung eines optimierten Demonstratorbauteils – hier: Avionikplatte eines Flugtaxis
• Durchführung von Strukturtests zur Bewertung der neu entwickelten Methoden

Die Untersuchungen im Projekt BLANCA tragen aus wissenschaftlicher Sicht zu einem besseren Werkstoff- und Strukturverständnis von Lasteinleitungen in Sandwichstrukturen bei. Durch die Entwicklung und Anwendung neuer Simulations- und Lasteinleitungskonzepte konnten optimierte Lasteinleitungselemente gestaltet werden. Dabei wurde das Strukturverhalten sowohl für statische als auch für dynamische Belastungen optimiert. Durch die umfänglichen Versuchsreihen wurde zudem eine zuverlässigere Anwendung virtueller Berechnungsmodelle erzielt.

Die entwickelten Methoden und Konzepte können in zukünftigen Untersuchungen für komplexere Baugruppen sowie für andere Materialien angewendet werden. Dies könnte helfen die im Projekt gewonnen Kenntnisse weiter zu vertiefen. Weitere Forschung wäre außerdem im Bereich alternativer Kernmaterialien und der damit verbundenen Lasteinleitungsgestaltung denkbar. Auch hinsichtlich erhöhter Funktionsintegration in Sandwichbauteile wären weitere Forschungstätigkeiten interessant.

Unser Forschungsvorhaben BLANCA beruht auf der Förderinitiative BayLu25. Im Förderprogramm geht es hauptsächlich um Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsvorhaben grundsätzlich in dem Handlungsfeld „Steigerung der Produktivität und Materialeffizienz in der Luftfahrtindustrie“.

Projektlaufzeit: Januar 2021 bis Dezember 2023

Fördervolumen für die Universität der Bundeswehr: 288.400€

Das Projekt wird gefördert vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie.