Warum wir eine Hagelschlagprüfvorrichtung entwickelt haben
Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie moderne Technologien und Werkstoffe entwickelt werden, die Sie und Ihr Flugzeug z. B. vor Gewittern mit Hagelkörnern schützen? Aufgrund ihrer komplexen Versagensmechanismen müssen faserverstärkte Verbundwerkstoffteile für solche Belastungsfälle experimentell getestet werden, mit manchmal unvorhersehbaren Ergebnissen.
Nehmen wir zum Beispiel Xycomp® DLF™ (Discontinuous Long-Fiber). Dieses Material ist seit Jahren ein vielversprechender Ersatz für komplex geformte Metallteile in der Luft- und Raumfahrt. Leider gab es trotz des sehr guten Aufprallverhaltens bei niedriger Geschwindigkeit (Fallgewicht) und der geringen Druckfestigkeit nach dem Aufprall schon früh Unsicherheiten hinsichtlich des Aufprallverhaltens bei hohen Geschwindigkeiten und Hagelschlag, was den Einsatz an Orten verhinderte, an denen ein solches Auftreten zu erwarten war. Als ein Anwendungsbeispiel ist ein solcher Lastfall an der Vorderseite eines Turbofan-Triebwerks besonders kritisch, da jegliches beim Aufprall freigesetztes Material vom Triebwerk aufgenommen werden kann, was katastrophale Folgen haben kann. Es war daher notwendig, die Hagelschlagfähigkeit von DLF zu validieren, bevor man sich verpflichtete, solche kritischen Teile mit diesem Material zu entwickeln.
Aufgrund der Kosten und der Logistik der Tests waren die Daten zum Hagelschlag sehr begrenzt, und in einem Fall, in dem ein Kunde einen Sondierungstest an Laminatproben durchführte, waren die Ergebnisse schlecht.
Um dies umfassend zu untersuchen, initiierte die Advanced Technology Group von Greene Tweed ein TD-Projekt (Technologieentwicklung) mit dem Ziel, das Verhalten von DLF bei Hochgeschwindigkeitsaufprall besser zu verstehen und zu verbessern. Nachdem sich bei den Tests herausgestellt hatte, dass das Aufprallverhalten bei niedriger und bei hoher Geschwindigkeit völlig unterschiedlich ist und dass Fallgewichtstests nicht zur Vorhersage des Aufprallverhaltens bei Hagelschlag verwendet werden können, wurde klar, dass die Testmöglichkeiten eine Schlüsselkomponente sein würden. Flexibilität bei den Tests, um schnelle Forschungsschleifen zu ermöglichen, wurde als wichtiger Faktor für den Erfolg des Projekts identifiziert, aber die begrenzte Anzahl anerkannter Testeinrichtungen, die solche Dienste anbieten, die Testkosten und die immer größer werdenden Einschränkungen aufgrund der damaligen Pandemie machten es sehr schwierig, diese Vision zu verwirklichen. Daher wurde Anfang 2020 beschlossen, eine interne Hagelschlagtestkapazität zu entwickeln.
Viele Hürden mussten überwunden werden, angefangen bei der Frage, wie die erforderlichen Geschwindigkeiten von über 200 m/s auf dem begrenzten Raum erreicht werden können, bis hin zur Suche nach einer Möglichkeit, die Aufprallgeschwindigkeit auf engem Raum genau zu messen. Das Verfahren zur Herstellung des Hagelkorns selbst bedurfte sorgfältiger Überlegungen, da ein normaler "Eiswürfel", wie man ihn in der Gefriertruhe findet, von außen nach innen erstarrt, was zu starken inneren Spannungen führt, die (wie wir herausfanden) zum Zerbrechen des Hagelkorns während der Beschleunigungsphase führen und das Gerät in eine nicht sehr nützliche Schneekanone verwandeln. Nach einiger Planung, weiteren Tests und einigen Iterationsschleifen war die Testmöglichkeit schließlich fertiggestellt, und die eigentlichen Materialuntersuchungen konnten beginnen.
In ihrer derzeitigen Konfiguration verfügt die Schlagprüfvorrichtung über eine Kammer, in der Bauteile bis zu einer Größe von 600 x 500 x 300 mm mit einer Geschwindigkeit von bis zu 300 m/s geprüft werden können. Es wurden bereits Tests mit Hagelkörnern von 2" und 1,5" Durchmesser durchgeführt. Die Prüfung wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet, die über 10.000 Bilder pro Sekunde aufzeichnen kann.
Im Laufe des letzten Jahres konnte Greene Tweed aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse neuartige DLF-Materialien und Anwendungskonzepte entwickeln und demonstrieren, die die Hochgeschwindigkeitsaufprallfestigkeit herkömmlicher Endlosfaserverbundwerkstoffe erreichen oder übertreffen, und darüber hinaus ein besseres Verständnis des Schadensverhaltens in diskontinuierlichen Verbundwerkstoffen erlangen. Derzeit werden mehrere Luft- und Raumfahrtanwendungen mit Hagelschlaganforderungen entwickelt, wobei die internen Testmöglichkeiten und die gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden.