Themenbeschreibung
Sandwichverbundstrukturen kommen aufgrund ihres hervorragenden Leichtbaupotentials in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz und sind Gegenstand der Forschung am Institut für Flugzeugbau. Vorwiegend werden am Institut neuartige gefaltete Kernstrukturen entwickelt und erforscht, die eine hochleistungsfähige Alternative zu kommerziellen Sandwichkernwerkstoffen darstellen. Diese Faltkerne entstehen durch einen Faltprozess aus einem ebenen Halbzeug und erlauben eine große Auswahl an Materialien und Zellgeometrien. Die Kerne bilden zudem eine offene Struktur, die für eine Funktionsintegration genutzt werden kann. So ist z.B. die Integration von Leitungen oder Sensorik möglich, aber auch ein direkter Medientransport zur aktiven Temperierung der Sandwichstruktur. Die mechanischen Eigenschaften der Faltkern-Sandwichverbünde sind neben der Materialauswahl von der Faltgeometrie abhängig. Diese lässt sich nahezu beliebig variieren und erlaubt eine große Gestaltungsvielfalt mit Anpassung an mechanische und funktionelle Anforderungen.
Forschungsfelder
Arbeitsgebiete
Faltkern aus recyceltem Carbonfaser-Thermoplast-Vlies
Vierpunkt-Biegeversuch an einem Faltwaben-Sandwichpanel
Struktursimulation einer Faltkernzelle
Faltkern
Strukturauslegung und Fertigung
Die hohe Gestaltungsvielfalt der Faltkerne mit entsprechendem Einfluss auf die Eigenschaften des gesamten Sandwichverbunds bieten ein großes Potential zur lastgerechten Auslegung der Leichtbaustrukturen. Dies beinhaltet eine große Komplexität bei der strukturellen Auslegung der Struktur und der mathematischen Beschreibung des Faltvorgangs. Zudem ist die Faltbarkeit durch Randbedingungen in der Fertigung begrenzt. Am Institut für Flugzeugbau wird daher eine Prozesskette zur anwendungsspezifischen Auslegung der Kerne entwickelt. Die Fertigung der Kerne erfolgt intern im Prototyenmaßstab.
Struktursimulation
Zur Abbildung der komplexen Vorgänge unter Belastung werden strukturmechanische Analysen der Faltkerne durchgeführt. Dies erlaubt eine schnelle Analyse der mechanischen Eigenschaften und die Untersuchung einer großen Menge unterschiedlicher Geometrien. Eine modellbasierte Optimierungsumgebung erleichtert die schnelle Bewertung von Geometrien im Hinblick auf bestimmte Einsatzszenarien.
Mechanische Charakterisierung von Sandwichwerkstoffen
Das Institut für Flugzeugbau verfügt über die Ausstattung zur Materialcharakterisierung für die eingesetzten Halbzeuge, sowie zur mechanischen Charakterisierung der gesamten Sandwichverbünde. Dazu gehören Druckversuche, Zugversuche, Schubversuche, Biegeversuche und Impactversuche.
Förderprojekte & weiterführende Informationen
Weitere Informationen zur numerischen Simulation von Faltkernen:
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Ziel des Vorhabens
Konzeption, Entwicklung und Funktionsnachweis eines neuartigen, strukturintegrierten Skin Heat Exchanger Konzepts basierend auf einer Faserverbund-Faltwaben-Sandwichstruktur
Projektbeschreibung
Flugzeuge mit modernen elektrifizierten Antriebssystemen, insbesondere Brennstoffzellen, erzeugen einen großen Wärmestrom von nicht nutzbarer Wärme („low quality heat“, d. h. mit geringer Temperaturdifferenz), was einen stark erhöhten Kühlbedarf zur Folge hat. Dieser führt, unter Verwendung von konventionellen Kühlsystemen, zu proportional gesteigerten Kühlwiderständen, die die Einsetzbarkeit solcher Antriebsstränge bisher stark einschränkt.
In diesem Projekt soll daher ein strukturintegrierter Skin Heat Exchanger entwickelt werden. Dieser besteht aus einer Faserverbund-Sandwichstruktur mit einem gefalteten Kern. Aufgrund ihrer Fertigung durch einen kontinuierlichen Faltprozess bilden diese eine offene Kernstruktur aus, die auf der gesamten Elementgröße zum Kühlmitteltransport verwendet werden kann. Die strukturelle Integrität bleibt dabei durch die mechanischen Eigenschaften der Sandwichstruktur sichergestellt.
- Das Vorhaben wird dabei verschiedene Aspekte dieses neuartigen Konzepts untersuchen, um einen Grundstein für zukünftige Forschungen zu liefern. Wichtige Arbeitsschritte dabei sind:
- Untersuchung der Durchströmung der Faltkernstruktur für einen optimalen Kühlmittelfluss und Wärmeübertragung in die Deckschichten
- Modifikation der Fasern und der Matrix um eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Deckschichten zu erreichen
- Numerische Untersuchung der Wärmeübertragung, Anpassung/Neuentwicklung bestehende Methoden und Verifizierung durch Laborversuche
- Integration des Skin Heat Exchangers in den Gesamtflugzeugentwurf und Betrachtung der Skalierbarkeit
- Bau eines Prototyps für Flugversuche mit dem universitätseigenen Forschungsflugzeug e-Genius zum Nachweis der Funktionsfähigkeit, aufgrund des Projektrahmens zunächst jedoch nur an einem nichttragenden Bauteil, wodurch nicht das volle Potential ausgeschöpft werden kann
Projektpartner
- Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (ITLR), Universität Stuttgart
- Institut für Flugzeugbau (IFB), Universität Stuttgart
Finanzierung
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Luftfahrtforschungsprogramm LuFo VI-3).
Kontakt:
Ausgangssituation:
- Verfahrensentwicklung zum Widereinsatz von Carbonfaserresten aus der Luftfahrt am Beispiel einer Sandwichstruktur
- Entwurf und Umsetzung einer doppelschaligen Rumpfstruktur aus Sandwichmaterial unter der Verwendung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen aus rezyklierten Carbonfasern (rCF)
Lösungsweg:
- Herstellung von thermoplastischen Vlieshalbzeugen aus Carbonfasern aus Abfall aus dem Fertigungsprozess für Faserverbundbauteile
- Verfahrensentwicklung zur Faltkernherstellung aus rCF-Vlies
- Auslegung und Bau eines sortenreinen Demonstrator-Sandwichbauteils
Projektpartner
- Institut für Textiltechnik Augsburg (ITA)
- Institut für Flugzeugbau (IFB), Universität Stuttgart
Finanzierung
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Luftfahrtforschungsprogramm LuFo VI-3).
Kontakt:
Kontakt
Simon Thissen
M.Sc.Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Neil Witthöft
M.Sc.Wissenschaftlicher Mitarbeiter