Umluft für große Flugzeugteile

Innovative Verbundstoffe revolutionieren die Luftfahrt. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) trägt mit wegweisender Forschung dazu bei. Schon eine winzige undichte Stelle kann das Ende bedeuten: Dann ist die Landeklappe Schrott. Anja Haschenburger erforscht Produktionsprozesse für das Flugzeug der Zukunft.

Das besteht zunehmend aus leichtem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Die Herstellung der Bauteile ist allerdings noch aufwendig und teuer. Im Autoklav, der ähnlich einem großen Umluftofen funktioniert, müssen Flugzeugteile bei Temperaturen bis 180 Grad Celsius unter hohem Druck aushärten. Für den Druckaufbau werden die Teile in eine Vakuumfolie verpackt. Das Problem: Bereits kleine Löcher in der Folie dieses Vakuumaufbaus, Leckagen genannt, können die Qualität des gesamten Bauteils negativ beeinflussen.

Im Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik in Stade betreibt das DLR mit 20 Metern Länge und einem Durchmesser von fast 6 Metern den größten Forschungsautoklav der Welt. Er ermöglicht die Erforschung von Produktionsmethoden im Industriemaßstab. Anja Ha­schen­burger testet in der Anlage ein neues Verfahren, das die Beschaffenheit der Vakuumfolie zuverlässig analysiert. Treten Mängel auf, wird der Aushärteprozess gar nicht erst gestartet – das spart Zeit, Geld und schont die Umwelt. Zwar ist es schon heute technisch möglich, Leckagen aufzuspüren. Gängige Methoden wie Ultraschall- oder Druckverlustmessung sind allerdings mit hohem manuellen und zeitlichen Aufwand verbunden und liefern obendrein keine verlässlichen Ergebnisse. Das bedeutet, dass fehlerhaft verpackte Bauteile doch zur Aushärtung in den Autoklav kommen. Leckagen bewirken dann einen unzulässigen Druckverlust im Aushärteprozess.

„Die Folge sind Porositäten im fertigen Bauteil“, erklärt Anja Haschenburger. „Manchmal lässt sich ein solcher Mangel beheben, meist bleibt aber nur das Verschrotten.“ Sie setzt auf Thermografie, um kleinste Undichtigkeiten an den Vakuum­aufbauten frühzeitig zu erkennen. „Mit die­ser vielversprechenden Technologie können wir undichte Stellen während des Aushärtens erstmals verlässlich, punktgenau und vor allem automatisiert lokalisieren“, erklärt die Ingenieurin. Dafür hat sie eine Thermografiekamera im Autoklav an­gebracht. Sie bildet die Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Bauteils detailgetreu ab und macht sogar Strömungsverhältnisse sichtbar. Leckagen er­scheinen, abhängig von der Zyklusphase, als Cool- oder Hot-Spot im Thermogramm.

Jede Undichtigkeit muss sichtbar gemacht werden

Während eines Scanvorgangs erfasst die Infrarotkamera den gesamten Vakuum­aufbau; eine Bildverarbeitungssoftware wertet die Bilder automatisch aus. Dadurch kann Anja Haschenburger die fehlerhafte Stelle genau bestimmen. Das Verfahren erfasst zudem Form und Größe der Leckage. Je nach Befund wird die Folie entweder lokal ausgebessert oder der komplette Vakuumaufbau erneuert. Das Ziel: durch die Früherkennung von Undichtigkeiten zu garantieren, dass Bauteile auf Anhieb gelingen.

Anja Haschenburger hat Verbundwerkstoffe/Composites und später Management studiert. Nach ersten Berufsjahren in der Luftfahrtindustrie ist sie 2015 zum DLR gewechselt. Das Forschungszentrum bietet ihr neben spannenden Projekten auch beste Perspektiven: In einem kreativen, wertschätzenden Umfeld können junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sehr selbstständig arbeiten und früh Verantwortung übernehmen. Viele Projekte sind in Kooperationen mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft eingebunden. Seit Jahren setzt man sich im DLR dafür ein, den Anteil talentierter Frauen in der Spitzenforschung zu erhöhen. Es gibt ein Mentoringprogramm im Rahmen der Helmholtz-Gemeinschaft und spezielle Trainingsmaßnahmen für Wissenschaftlerinnen mit Führungspotenzial. Für seine chancengerechte Personalpolitik wurde das Forschungszentrum mehrmals mit dem Total-Equality-Award ausgezeichnet und mit dem audit berufundfamilie zertifiziert. Das hat sich herumgesprochen: Bei den Neueinstellungen mit Master- oder Diplomabschluss lag der Frauenanteil 2016 schon bei 33 Prozent.

Der Einstieg in die Spitzenforschung gelingt häufig über eine Abschluss- oder Doktorarbeit. Anja Haschenburger ist eine von 960 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die in den 33 Instituten und Einrichtungen für ihre Promotion forschen. In interdisziplinären Teams arbeiten sie an bahnbrechenden Projekten aus Luft- und Raumfahrt, Energie, Verkehr und Sicherheit – von den Grundlagen bis zur Anwendung. Sie profitieren von einer en­gagierten fachlichen Betreuung und können sich mit dem DLR_Graduate_Program gezielt weiterqualifizieren. Das dreijährige modulare Programm vermittelt wissenschaftliche Arbeitsmethoden und wichtige Schlüsselkompetenzen. In Wahlveranstaltungen zu unterschiedlichen The­­men setzen die Teilnehmer eigene Schwerpunkte. Anja Haschenburger ist sicher: „Was ich hier lerne, ist nicht nur für meine Promotion wichtig, sondern auch für meine weitere Karriere.“ Daneben bietet das Forschungszentrum viele Trainingsmaßnahmen zur persönlichen und fachlichen Weiterentwicklung, die allen Mitarbeitern unabhängig von einer Promotion offenstehen. Schließlich weiß man beim DLR schon längst, dass nur Spitzenkräfte Spitzenleistungen erbringen können.

Einzigartige Großforschungsanlagen

Zur besonderen Arbeitswelt im DLR ge­hört weiterhin eine hochspezialisierte Forschungsinfrastruktur: Neben dem Au­toklav, in dem Anja Haschenburger Aushärtungsprozesse untersucht, gibt es an bundesweit 20 Standorten weitere Großfor­schungsanlagen, von denen viele einzigartig in Europa oder sogar weltweit sind. Windkanäle, Fahrsimulatoren, Material- und Raketenprüfstände gehören ebenso dazu wie ein Sonnenofen und eine Tunnelsimulationsanlage. Zudem be­treibt das DLR die größte zivile Forschungsflugzeugflotte in Europa.

Ihre Untersuchungen im Autoklav hat Anja Haschenburger zunächst an kleinen Versuchsaufbauten und später an einem Airbus-Serienbauteil durchgeführt, einer A320-Landeklappe. Dabei konnte sie Leckagen mit einem Durchmesser ab 0,1 Millimeter im Thermogramm sichtbar machen, allerdings nur bis zu einer Temperatur von 115 Grad Celsius. Im Folgeprojekt erforscht sie, wie sich Leckagen bei höheren Temperaturen feststellen lassen. Ihre Ergebnisse haben Bedeutung über die Luftfahrt hinaus: Nachhaltige Produktionsverfahren im Faserverbundleichtbau sind auch für die Automobilindustrie und für Windkraftanlagen interessant, an denen sich Rotorblätter aus faserverstärkten Kunststoffen drehen.

Zurzeit entwickelt die Ingenieurin eine Simulationssoftware, mit der sich die Abläufe im Autoklav realitätsnah darstellen lassen – also Strömungen und Wärmeübergänge bei Temperaturen bis 180 Grad Celsius. Die Anwendung soll zuverlässige Voraussagen liefern, wann Bauteile vollständig ausgehärtet sind. „Derzeit fahren wir längere Zyklen im Autoklav, weil wir die notwendige Zeitspanne nicht genau kennen und auf Nummer sicher gehen wollen“, erklärt sie. „Wenn wir den Aushärtungsvorgang verkürzen können, sparen wir sehr viel Energie!“


DLR in Kürze:

  • Rund 8.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
  • 33 Institute und Einrichtungen an 20 Standorten in Deutschland
  • Studienrichtungen: Ingenieurwissenschaften, Informatik, Physik, Mathematik, aber auch Natur- und Geowissenschaften

Alle Infos zum Einstieg unter: DLR.de/jobs

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