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Moderner Leichtbau - eine wesentliche Basis der energieeffizienten Zukunft

Im August 2009 verabschiedete das Bundeskabinett einen Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität, der die Basis für entsprechende technologische Entwicklungen bilden und die Markteinführung von Plugin-Hybrid- und Elektrofahrzeugen in Deutschland vorantreiben soll. Deutschland müsse, um im internationalen Wettbewerb bestehen zu können, zum Leitmarkt für Elektromobilität werden. Insbesondere im Bereich der Batteriespeicherleistung seien erhöhte Anstrengungen erforderlich, um die globale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Automobilindustrie zu behaupten und zu stärken. Das Ziel der Bundesregierung: Bis 2020 sollen eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren.

Die Fraunhofer-Gesellschaft hat die Wichtigkeit des Themas seit langem erkannt. In dem Verbundprojekt „Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität“ arbeiten 33 Fraunhofer-Institute gemeinsam daran, den Wandel zu einer nachhaltigen „All-electric Economy“ wirkungsvoll zu unterstützen.

Der Begriff Systemforschung ist hierbei Programm. Er verdeutlicht, dass alle Wertschöpfungsstufen der Elektromobilität aufeinander abgestimmt zu entwickeln sind. Dies betrifft sowohl den Bereich der Energieerzeugung, den Transport und die Verteilung der Energie durch die Stromnetze, die Schnittstellen zwischen Stromnetz und Fahrzeug, die Energiespeicherung als auch neue Fahrzeugkonzepte mit einer neuen Infrastruktur sowie Nutzungs- und Abrechnungskonzepten. Nur durch die abgestimmte Entwicklung aller relevanten Bausteine wird die Vision einer elektromobilen Gesellschaft realisierbar werden.

Eines der adressierten Forschungsthemen ist der Leichtbau. Auch in einem derart innovativen Tätigkeitsfeld wie der Elektromobilität stellt die Bereitstellung von Fahrzeugstrukturen mit geringer Masse eine zentrale Herausforderung zur Gewährleistung ausreichender Reichweiten dar.

Eine wichtige Rolle im Umfeld des Leichtbaus spielen branchen- und applikationsübergreifend neue Ansätze der automatischen Strukturüberwachung bzw. des Structural Health Monitorings (SHM). Bei diesem Verfahren werden Sensoren in Strukturen dauerhaft integriert, um einen kontinuierlichen Überblick über deren funktionellen Status zu erlangen. Das SHM-Konzept verbindet klassische und innovative Sensoren mit einer automatisierten Auswertungs-Infrastruktur.

Bisher wird die Sicherheit von Leichtbaustrukturen, z.B. im Luftfahrtbereich, in der Regel durch manuelle Inspektion in bestimmten Intervallen ausreichend gewährleistet. Dabei führen Prüfer Kontrollen kritischer Stellen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren durch. Zwischen diesen Inspektionen können Schäden eventuell nicht gefunden werden und dürfen daher während dieser Einsatzdauer keine kritischen Größen erreichen.

Weniger manuelle Inspektionen in vergrößerten Intervallen reduzieren zwar die Kosten für Wartung und Instandhaltung. Sie erfordern aber letztlich im Entwurf größere Bauteildicken, damit mögliche Risse zwischen den Inspektionen keine kritische Größe erreichen. Reduzierte Intervalle würden in diesem Zusammenhang den Leichtbau fördern, aber gleichsam natürlich die Kosten für die häufigeren manuellen Inspektionen erhöhen.

Dieses Dilemma kann durch den Einsatz von automatischen Prüfungen der Struktur überwunden werden. So lassen sich sowohl Kosten als auch Gewicht reduzieren. Hierbei wird in kurzen Abständen mit geeigneten Sensoren ein Gesamtbild des Zustands aufgenommen und bewertet.

HBM und Fraunhofer LBF arbeiten in diesem wichtigen Zukunftsfeld schon seit einiger Zeit gemeinsam an realisierbaren Ansätzen, da sich neuartige Sensoren, wie strukturintegrierbare Dehnungsmessstreifen und faseroptische Dehnungsmessstreifen (DMS), in besonderer Weise für z.B. Faserverbundstrukturen anbieten. Schon jetzt finden Schwingfestigkeitsuntersuchungen und entsprechende Bewertungen an neuartigen Sensoren in Zusammenarbeit statt.
Auf der Aerospace Testing Expo und der Luftfahrtshow in Paris wurde ein Flügel Mock-up u.a. mit 18 metallischen und 16 optischen DMS gezeigt, der die Einsatzmöglichkeiten anschaulich zeigt.

Auf Basis der Sensordaten muss zukünftig mit den Methoden der Betriebsfestigkeit eine Abschätzung über die verbleibende Restlebensdauer der in einer individuellen Historie belasteten, geschädigten und reparierten Struktur ermöglicht werden. Diese Aussage über den Zustand der Struktur ermöglicht die dann besser planbaren und schneller durchführbaren Wartungs- und Reparaturmaßnahmen.

Die Kontrolle des Betriebs einer sensorisierten Leichtbaustruktur und die Ableitung von Entscheidungen beruhen letztendlich direkt auf der Verfügbarkeit und der Zuverlässigkeit der Messtechnik. Eine serientaugliche Einführung dieser Technologie erfordert aber eine Anpassung der Fertigungsverfahren, die die problemlose Funktionsintegration der Messtechnik in die Faserverbundstruktur ermöglicht.

Structural Health Monitoring in Kombination mit neuen Werkstoffen wird in Zukunft eine der Schlüsseltechnologien zur Realisierung eines bezahlbaren und gleichzeitig zuverlässigen Leichtbaus sein. Hiervon werden alle Branchen profitieren, die Produkte für eine energieeffiziente Zukunft mitgestalten.

Der Autor: Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka ist Leiter des Fraunhofer Instituts LBF in Darmstadt.