Durchblick dank Wärme

Sicherheit in der Schadenserkennung mittels Thermographie

Die neue Generation von Passagierflugzeugen besteht überwiegend aus modernen und leistungsfähigen Faserverbundwerkstoffen (Composite-Materialien). Insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (Carbon-faserverstärkter Kunststoff = CFK) verfügen über eine deutliche höhere Festigkeit und Steifigkeit als Aluminium und sind sehr viel leichter, was eine spürbare Reduzierung des Kerosinverbrauchs und der CO2-Emissionen verspricht. Um den hohen Sicherheitsstandards in der Luftfahrt gerecht werden zu können, bedarf es für die Materialkontrolle im laufenden Flugbetrieb genauer Verfahren. Vor allem der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (Non-destructive Testing = NDT) kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu. NDT-Verfahren erlauben es, die Qualität eines Werkstücks bzw. einer Flugzeugstruktur umfassend zu testen, ohne dabei das Material selbst zu beschädigen. Zu den wichtigsten sogenannten oberflächenorientierten Verfahren gehört in diesem Zusammenhang unter anderem die Thermographie (Infrared Thermography, IRT), ein (wärme-)bildgebendes Verfahren bei dem mittels hochauflösender Infrarotkameras verborgene Defekte sichtbar gemacht und erkannt werden können.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren werden bereits seit geraumer Zeit bei der Untersuchung von Flugzeugstrukturkomponenten aus Metall angewendet. Bei Strukturkomponenten aus Verbundwerkstoffen stellt die Anwendung dieser Verfahren jedoch aufgrund der Komplexität von Material und potentiellen Schadensfällen nach wie vor eine große Herausforderung dar: So gab es bis zuletzt kein effizientes Verfahren, eine Struktur aus Verbundwerkstoffen in der Größenordnung und Vielfalt, wie sie bei modernen Verkehrsflugzeugen zum Einsatz kommen, sicher, vollständig und verlässlich auf Beschädigungen und Fehler zu untersuchen.

Lufthansa Technik hat zusammen mit „AT - Automation Technology" und den Instituten für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe, Nachrichtentechnik sowie Modellierung und Berechnung der Technischen Universität Hamburg-Harburg an der „Optimierung von NDT-Verfahren für Faserverbundwerkstoffe" geforscht. Das Ziel des Vorhabens ist es, die Leistungsgrenzen moderner zerstörungsfreier Prüfverfahren auf der Basis von Aktiver Thermographie im Einsatz von Flugzeugherstellern und Wartungsunternehmen zu verstehen und zu erweitern. Dadurch soll eine deutliche Steigerung der Zuverlässigkeit in der Schadenserkennung sowie der Effizienz der Prüfverfahren im operativen Einsatz erzielt werden.

Bei der Aktiven (Wärmefluss-)Thermographie wird die Oberfläche der Messobjekte durch einen kurzen Wärmeimpuls einer Wärmequelle (z. B. Halogenlampe) erwärmt. Danach wandert die Wärme von der Oberfläche ins Innere des Materials. Sofern sich Störungen bzw. Fehler - Bereiche mit geringerer Wärmeleitfähigkeit - unter der Oberfläche befinden, wird der Wärmetransport behindert. Die Oberfläche über diesen schadhaften Bereichen bleibt länger warm, so dass durch Infrarot-Kameras diese Temperaturunterschiede deutlich sichtbar gemacht werden können. Im Falle von Composite-Materialien lassen sich so zum Beispiel konkrete Hinweise auf stumpfe Beschädigungen oder Fehler wie Materialablösungen (Delaminationen) bei Spanten und Stringern erkennen. Die Aktive Thermographie bietet viele Vorteile: So lassen sich mit diesem Verfahren relativ große Flächen in einem Messvorgang prüfen (0,25 - 0,5 Quadratmeter), es ist beliebig skalierbar und kann sowohl in den entsprechenden Werkstätten oder mittels mobiler Einheiten auch direkt am Flugzeugrumpf durchgeführt werden.

Das von November 2009 bis Oktober 2013 laufende und vom Bundesministerium für Forschung und Bildung unterstützte Forschungsprojekt „Optimierung von NDT-Verfahren für Faserverbundwerkstoffe" hat bereits jetzt erste wesentliche Resultate hervorgebracht: So konnten umfassende Erkenntnisse und Erfahrungen mit dem neuen Verfahren gesammelt und ein besseres Verständnis der Materialeigenschaften gewonnen werden. Parallel dazu wurde eine Software zur automatisierten Schadenserkennung entwickelt. Das Verfahren stößt zwar bei Materialstärken von mehr als vier Millimetern derzeit an seine Leistungsgrenzen, dennoch lassen sich damit bereits rund 80 Prozent des Rumpfes einer Boeing 787 systematisch untersuchen. Erst durch eine derartig zuverlässige Technologie und ein effizientes, in der Praxis erprobtes und zugelassenes Verfahren zur Schadenserkennung ist ein den luftfahrtrechtlichen Anforderungen gerecht werdender Betrieb neuer, überwiegend aus Composite-Materialien bestehender Flugzeugmuster überhaupt möglich.