Bauteilinhärente Erfassung der statischen und dynamischen Belastungen mittels additiv gefertigter sensorischer Strukturen nach bioinspiriertem Design (BEstBelbioDesign)

Problemstellung
Strömungssonden in Triebwerken sind großen statischen und dynamischen Belastungen unter hohen Temperaturen ausgesetzt. Die komplexen Spannungszustände sind sowohl für die Bauteilbelastung zur Wartungsvorhersage als auch aus aerodynamischer Perspektive der Strömungsimpulse und -momente sehr interessant. Verfügbare 2D-Dehnungsmesstechniken liefern begrenzte Aussagen über Verformungseigenschaften und Spannungszustände von Bauteilen. Diesem Projekt liegt die Idee der sogenannten Vater-Pacini-Körperchen zur Erfassung von 3D-Spannungen zugrunde, bei der nach dem Vorbild der Natur Sinneszellen der Haut die mechanischen Kräfte in Nervenerregung umwandeln und so Vibrationsempfindungen vermitteln. Als ein Werkzeug, um dieses bioinspirierte Design in der Technik umzusetzen, kann die Additive Fertigung (AF) genutzt werden. Sie ermöglicht im Vergleich zu konventionellen Verfahren die Herstellung von komplexen Strukturen und funktionsintegrierten Bauteilen.

Ziel
Das Forschungsprojekt BEstBelbioDesign erarbeitet sensorische Strukturen zur statischen und dynamischen Beanspruchungsanalyse analog den Vater-Pacini-Körperchen für das Innere von Bauteilen zur Weiterentwicklung der etablierten Dehnungsmessstreifen (DMS)-Technik. Dazu soll ein neuartiges 3D-Multimaterialdruckverfahren eingesetzt werden und damit die Strukturen von Dehnungssensoren direkt zusammen mit dem Bauteil schichtweise „aufwachsen“. Als Ergebnis soll zum Projektende eine Strömungssonde für Turbomaschinen zusammen mit DMS-Sensorischen-Strukturen hergestellt werden.

Vorgehensweise
Im ersten Schritt wird ein neuartiges pulverbettbasiertes Multimaterial-Laser-Strahlschmelz-Verfahren (MM-LBM) erarbeitet, mit dem die Trennung zwischen Bauteil und Sensor aufgehoben werden kann. Dazu ist ein Multimaterialauftragsmechanismus zu entwickeln, der vier unterschiedliche Materialien in einer Schicht verschmelzen kann. Es werden Prüfkörper mit Leiterbahnen hergestellt und untersucht. Die spätere Zielgeometrie der DMS dient als Grundlage für die FEM (Finite-Elemente-Methode)-Berechnungen. Gegebene Fertigungsrestriktionen gilt es dabei zu beachten. Die Materialien werden einzeln und in Kombination qualifiziert und Konstruktionsrichtlinien für Leiterbahnen definiert. Anschließend werden DMS auf Prüfkörperniveau additiv gefertigt. Zum Schluss wird ein Demonstratorbauteil mit sensorischen Strukturen nach dem Vater-Pacini-Körperchen-Prinzip auf der für den Fertigungsprozess qualifizierten Anlagentechnik hergestellt und evaluiert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Durch verbesserte Auslegungsdaten, gezielten Einsatz der additiven Fertigung und eine verbesserte Datenerfassung im Betrieb kann ein wesentlicher Beitrag zur Effizienzverbesserung bestehender Luftfahrtantriebe erreicht werden. Darüber hinaus ist eine Erweiterung der Ergebnissein in das operative Geschäft, bspw. durch Predictive Maintenance, angedacht. Damit wird die Technologiestrategie der Deutschen Luftfahrtindustrie nachhaltig unterstützt. Auch die Anpassung konventioneller Flugzeugtriebwerke auf die Verbrennung von E-Fuels oder Wasserstoff kann durch die Erweiterung der Messtechnik vorangetrieben werden. Durch die Industrienähe kann eine Übertragung der Technologie in weitere Wirtschaftsbereiche und Unternehmen ermöglicht werden.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Vectoflow GmbH