Warum wir eine Prüfvorrichtung für Hagelschlag entwickelt haben

Haben Sie sich jemals gefragt, wie moderne Technologien und Materialien entwickelt werden, um die Passagiere und das Flugzeug vor Gefahren wie einem Gewittersturm mit Hagelkörnern zu schützen? Aufgrund ihrer komplexen Versagensmechanismen müssen faserverstärkte Verbundwerkstoffteile für solche Belastungsfälle experimentell geprüft werden, wobei die Ergebnisse nicht immer vorhersehbar sind.

Sehen wir uns zum Beispiel Xycomp® DLF™ (diskontinuierliche Langfaser) einmal näher an. Dieses Material galt über viele Jahre als vielversprechend für den Ersatz komplex geformter Metallteile in der Luft- und Raumfahrt. Trotz des sehr guten Aufprallverhaltens bei niedriger Geschwindigkeit (Fallgewicht) und des geringen Abschlags nach einem Aufprall zeigte sich bereits früh Ungewissheit über das Aufprallverhalten dieses Materials bei Hagelschlag mit hoher Geschwindigkeit. Dies verhinderte den Einsatz in Bereichen, in denen diese Art von Hagel zu erwarten war. Ein besonders kritisches Anwendungsbeispiel wäre beispielsweise die Vorderseite eines Turbofan-Triebwerks, da jegliches Material, das bei einem Aufprall freigesetzt wird, mit möglicherweise katastrophalen Folgen in die Turbine gelangen würde. Daher mussten die Hagelschlag-Fähigkeiten von DLF zunächst validiert werden, bevor die Entwicklung solcher kritischen Teile mit DLF fortgesetzt werden konnte.

Aufgrund der Kosten und der Logistik der Tests waren nur sehr begrenzte Daten zum Hagelschlag verfügbar, und in einem Fall, in dem ein Kunde einen Sondierungstest an Laminatproben durchführte, waren die Ergebnisse schlecht.

Zur umfassenden Untersuchung hat die Advanced Technology Group von Greene Tweed ein TD-Projekt (Technologieentwicklung) ins Leben gerufen, um das Verhalten von DLF bei einem Hochgeschwindigkeitsaufprall vollständig zu verstehen und Verbesserungen vorzunehmen. Nachdem sich bei den Tests herausgestellt hatte, dass das Aufprallverhalten bei niedriger und bei hoher Geschwindigkeit völlig unterschiedlich ist, und dass sich das Aufprallverhalten beim Hagelschlag nicht mit dem Fallgewicht vorhersagen lässt, wurde klar, dass die Testmöglichkeiten eine Schlüsselkomponente sein würden. Die Flexibilität bei den Tests, die schnelle Iterationsschleifen in der Forschung ermöglichen, wurde als ein wichtiger Faktor für den Erfolg des Projekts erkannt. Die begrenzte Anzahl anerkannter Testeinrichtungen, die solche Dienste anbieten, die damit verbundenen Kosten und die immer größer werdenden Einschränkungen aufgrund der Pandemie machten es jedoch sehr schwierig, diese Vision zu realisieren. Infolgedessen wurde schon früh in 2020 beschlossen, interne Fähigkeiten für die Prüfung von Hagelschlag zu entwickeln.

Dafür mussten zahlreiche Herausforderungen bewältigt werden, angefangen bei der Frage, wie die erforderlichen Geschwindigkeiten von über 200 m/s auf begrenztem Raum erreicht werden können, bis hin zur Suche nach einer Möglichkeit, die Aufprallgeschwindigkeit auf engem Raum präzise zu messen. Der Prozess der Hagelkornbildung selbst erforderte sorgfältige Überlegungen, da ein normaler „Eiswürfel“, wie man ihn aus dem Gefrierschrank kennt, von außen nach innen erstarrt. Dadurch entstehen starke innere Spannungen, die (wie wir herausfanden) während der Beschleunigungsphase zum Zerbrechen des Hagelkorns führen und das Gerät als Schneekanone für diesen Zweck unbrauchbar machen. Nach sorgfältiger Planung, weiteren Tests und mehreren Iterationsschleifen konnte die Testeinrichtung schließlich fertiggestellt werden, und die eigentlichen Materialuntersuchungen konnten beginnen.

In ihrer aktuellen Konfiguration verfügt die Schlagprüfvorrichtung über eine Kammer, in der Komponenten bis zu einer Größe von 600x500x300 mm bei Geschwindigkeiten von bis zu 300 m/s geprüft werden können. Es wurden bereits Tests mit Hagelkörnern mit 2 Zoll und 1,5 Zoll Durchmesser durchgeführt. Der Test wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet, die mehr als 10.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen kann.

Im letzten Jahr konnte Greene Tweed dank der gewonnenen Erkenntnisse neuartige DLF-Materialien und Anwendungskonzepte entwickeln und nachweisen, die die Schlagfestigkeit herkömmlicher Endlosfaser-Verbundstoffe bei hohen Geschwindigkeiten erreichen oder sogar übertreffen. Darüber hinaus konnten wir ein besseres Verständnis des Schadensverhaltens in diskontinuierlichen Verbundstoffen gewinnen. Aktuell werden mehrere Anwendungen für die Luft- und Raumfahrt mit Anforderungen an den Hagelschlag entwickelt, für die unsere internen Testmöglichkeiten und die daraus gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden.