Eingebaute Echtzeitsensoren zeigen Materialermüdung an

Der Einsatz von faseroptischen Sensoren zur strukturellen Zustandsüberwachung hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Auf diese Weise erzielt man Echtzeitdaten über Spannungen oder Dehnungen in Bauwerken wie etwa Gebäuden, Brücken und Rohrleitungen. Ziel des EU-finanzierten Projekts "Fiber optic sensors application for structural health monitoring" (FOSAS) war die Anpassung der besten dieser Technologien an die Bereiche Flugtauglichkeit und Flugzeugzertifizierung.

Die Wissenschaftler wollten Faseroptik-Bragg-Gitter-Sensoren (FOBG) zur Belastungsbewertung nutzen, um den Beginn von Korrosion vorherzusagen. Ermüdungskorrosion ist ein komplexes Phänomen, bei dem die Zersetzung aufgrund von sowohl mechanischer zyklischer Belastung als auch einer korrodierenden Umgebung zum Tragen kommt. Und obgleich die einzelnen Effekte intensiv untersucht wurden, weiß man noch nicht genug über ihre synergistische Wirkung. Das Team untersuchte sowohl das elektrochemische Verhalten als auch die mechanische Belastung eines Metallabschnitts bei Materialermüdungstests in einer aggressiven Umgebung. Zur Spannungsüberwachung wurde ein FOBG-Sensor verwendet.

Die Entwicklung verbesserter SHM-Methoden erfordert einen geeigneten Prüfapparat. FOSAS entwickelte überdies ein Werkzeug zur Unterstützung der Entwicklung und Zertifizierung neuer SHM-Technologien für Avionikmaterialien und -strukturen. Hier werden Faseroptiksensoren anstelle von herkömmlichen Dehnungsmessstreifen eingesetzt. Als Resultat der Entwicklungsarbeit konnte das Team etliche Faseroptik-SHM-Sensoren liefern. Ein einzelner FOBG-Sensor überwacht quasistatische Belastungen und Hochfrequenz-Schadenssignale gleichzeitig, und ein weiterer FOBG-Sensor misst gleichzeitig die dreiaxiale Beanspruchung und Temperatur.

Zum Abschluss nahm sich das Team ein neuartiges System zur verteilten Temperaturerfassung mit ultrahoher Auflösung auf Basis von Standard-Lichtwellenleitern und Luftstrom-Wellenlängen-Interferometrie zum Ziel. Die Technik wandelt eine spektrale Verschiebung in eine Temperaturänderung um. Nach einer Marktanalyse, die feststellen sollte, welche Technologien am Markt finanziell tragbar erscheinen und das Potenzial zur Flugzeugzertifizierung in sich trage, wurde ein verteiltes Erfassungsverfahren entwickelt. Das Prototypsystem wurde in einer Testkampagne am Boden überprüft und für den Laborbetrieb zertifiziert.

FOSAS hat zahlreiche moderne Faseroptik-SHM-Technologien für die Luftfahrtzertifizierung und den Gebrauch in diesem Sektor angepasst sowie Instrumente zur weiteren Entwicklung abgeliefert. Die Einführung dieser fortschrittlichen, kostengünstigen Technologien wird in entscheidendem Maße zur Steigerung der Sicherheit der Flugzeugindustrie bei gleichzeitiger Kostensenkung für Betrieb und Wartung beitragen. Eine verbesserte Wettbewerbsfähigkeit des Luft- und Raumfahrtsektors der EU wird mit bedeutenden Vorteilen für die europäische Wirtschaft verbunden sein.