COMPASS MAGAZINE #10
COMPASS MAGAZINE #10

LUFT- UND RAUMFAHRT ERFOLG SIMULIEREN

Um neue Flugzeuge schneller und günstiger auf den Markt zu bringen, müssen Hersteller die teuren und zeitaufwendigen Verfahren zur Prüfung neuer Verbundwerkstoffe optimieren. Physische Tests werden dabei nach und nach durch computerbasierte virtuelle Tests ersetzt. Kritiker warnen jedoch, dass die Wirtschaftlichkeit der Luftfahrtbranche durch den langsamen Fortschritt in Gefahr sei.

Flügel, Rumpf und Leitwerk der Boeing 787 und des Airbus A350 sowie viele der Hauptbestandteile anderer großer Flugzeuge im Entwicklungsstadium bestehen großteils aus modernen Verbundwerkstoffen. Ein Blick auf die Konzepte, an denen Boeing und Airbus für ihre Verkehrsflugzeuge der Zukunft arbeiten, macht die Erwartungen an Verbundwerkstoffe klar: Rümpfe, die in den Flügel integriert sind, Strukturen, die Knochen nachempfunden sind, Tragflächen, die ihre Form ändern und Innenräume, die Energie aufnehmen und nutzbar machen.

Um diese Produkte, die mit den heute verfügbaren Materialien nicht denkbar wären, zu ermöglichen, werden hochmoderne Verbundwerkstoffe entwickelt. Dem entgegen stehen jedoch die Fertigungs- und besonders die Entwicklungskosten. Einer der Gründe ist der auf jahrzehntealtem Bausteindenken basierende Ansatz zur Zertifizierung von Verbundwerkstoffen für die Verwendung in Flugzeugen, der Tausende kostspieliger physischer Tests erfordert.

Als vielversprechende Methode stellt sich immer mehr die virtuelle Simulation heraus. Durch sie können in der gesamten Breite der Verbundwerkstoff-Fertigung zumindest einige der physischen Tests ersetzt werden durch die schnellere und kosteneffizientere Dokumentation der Effektivität neuer Verbundwerkstoffe, moderner Entwicklungstools und Fertigungsverfahren. Wenige Stimmen meinen sogar, dass computerbasierte Simulationen physische Tests vollkommen ersetzen werden. Viele sind jedoch der Ansicht, dass Simulation und computergestützte Analyse in Zukunft schlicht eine größere Rolle bei der Verschlankung von Entwicklungszyklen und der Reduzierung von Kosten spielen werden.

STRUKTUREN VERSCHLANKEN

Ein Beispiel für das Potenzial virtueller Tests ist der erste Brennstofftank eines Raumfahrzeuges, der sich bei Wiedereintritt in die Atmosphäre selbst demontiert. Die Entwicklung des Kohlefaserverbundwerkstoffes wird von Cobham Life Support in Westminster, Maryland (USA) für den zur Niederschlagsmessung vorgesehenen Satelliten Goddard Global Precipitation Measurement Satellite der US National Aeronautics and Space Administration (NASA) durchgeführt. Auch dank der intensiven Nutzung von computergestütztem Konstruieren und virtuellen Tests konnte das Entwicklungsprogramm von Cobham alle von der NASA gesetzten Ziele in Bezug auf Kosten, Zeitplan und viele anspruchsvolle technische Anforderungen erfüllen.

Mit Cobhams Verfahren konnte die Zahl zerstörender Tests um 50% reduziert werden, was im Verlauf des 38-monatigen Programms ca. 500.000 US-Dollar einsparte. „Dank der Verknüpfung unserer Tests und Analysen konnten wir die Effizienz steigern“, so Robert Grande, Unternehmensmanager bei Cobham. „Wir haben die Modelle mit den Eigenschaften echter Werkstoffe aus Tests gefüttert und dann mit physischen Tests die Ergebnisse durch die Entwicklungsstufen hindurch validiert. Da unsere Testergebnisse, von Teilkomponenten über den Berstdruck bis hin zur Ermüdungsprüfung am vollen Tank, zu den Vorhersagen unserer Analysen passten, konnten wir bis zum Abschluss der Entwicklung die Zertifizierung vollständig durchführen.“

„SIMULATIONSTOOLS KÖNNEN DABEI HELFEN, DEN FAKTOR UNSICHERHEIT UND SEINE VERBREITUNG IN DER TECHNISCHEN ENTWICKLUNG ZU VERSTEHEN.“

DR. R. BYRON PIPES JOHN BRAY DISTINGUISHED PROFESSOR OF ENGINEERING, PURDUE UNIVERSITY

Ein weiteres Beispiel ist am Automobili Lamborghini Advanced Composite Structures Laboratory (ACSL) der Universität Washington in Seattle (USA) zu finden, das die Entwicklung von Verbundwerkstoffen für die Raum- und Luftfahrt und für den Automobilbau miteinander kombiniert. Das ACSL arbeitet mit Boeing und der US-Behörde Federal Aviation Administration (FAA) an der Verbesserung der Zertifizierung neuer Verbundwerkstoffe und -strukturen, oft auf der Grundlage bewährter virtueller Prüfgrundsätze, die für Fahrzeuge von Lamborghini entwickelt wurden.

ACSL und Boeing arbeiteten gemeinsam komplexe Analyseverfahren aus, um das Crash-Verhalten der vollständig aus Verbundwerkstoffen bestehenden Monocoque-Zelle des Lamborghini-Autos Aventador vorherzusagen. Aventador nahm die Hürde seiner Crashtest-Zertifizierung bereits im ersten Versuch; Vorgängermodelle benötigten zwei oder drei Tests. Ein Crashtest kostet 1 Million US-Dollar. Damit waren die Einsparungen erheblich, die Zeit- und Kosteneinsparungen für den Verzicht auf zusätzliche Testfahrzeuge noch gar nicht berücksichtigt.

EIN PARADIGMENWECHSEL

Auch wenn solche Programme durch den Einsatz virtueller Tests die Branchenstandards übertreffen – für Dr. R. Byron Pipes, Inhaber des Lehrstuhls John Bray Distinguished Professor am College of Engineering der Purdue University (USA), gehen sie noch nicht weit genug. Pipes glaubt, dass die aktuellen Trends bei virtuellen Tests neuer Verbundwerkstoffe nur graduelle Verbesserungen seien, aber noch nicht der erforderliche Paradigmen- wechsel, um die Verbundwerkstoffentwicklung von ihren heutigen Fesseln zu befreien. „Wir schlagen uns immer noch mit auf Empirie basierender Fertigung und Zertifizierungen aufgrund physischer Werkstoffprüfungen herum“, sagt er. „Es kostet 100 Millionen US-Dollar, um einen Verbundwerkstoff für den Einsatz an einem neuen Flugwerk zu zertifizieren. Sobald sie zertifiziert sind, ist es wirtschaftlich unmöglich, Werkstoffe noch zu verändern“

Laut Pipes wird die Verbundwerkstoff-Entwicklung von heute von Experimenten beherrscht und von Analysen lediglich unterstützt. „Wir verfügen über ausreichend Rechenleistung, um dieses Paradigma zu verändern und Tausende (physischer) Tests durch robuste mehrskalige Fertigungs- und Leistungssimulationen zu ersetzen“, führt er aus. „Erst dann werden Innovationen bei der Werkstoffzusammensetzung und -verarbeitung ohne wiederholte kostspielige Neuzertifizierung möglich sein.“

Um die Grenzen virtueller Tests weiter zu verschieben, tritt Pipes dafür ein, moderne Analyse- und Simulationstools auf einer breiteren Basis verfügbar zu machen. Diese könnten dann umfassend dafür eingesetzt werden, die Ursachen und Verbreitung von Unsicherheit bei der Verbundwerkstoff- Fertigung und -Entwicklung zu erforschen. Um dies zu erreichen, stellt sich Pipes online einen Verbundwerkstoff-Hub vor, der eine cloudbasierte Bereitstellung von Simulationstools durch die Community ermöglichen würde. „Die Idee stammt ursprünglich aus dem Bereich des Crowdsourcing und der Notwendigkeit, dass Simulationskapazitäten dadurch gesteigert werden, indem wir die Tools in die Hände derer legen, die jetzt noch keinen Zugang zu ihnen haben“, erläutert Pipes.

Viele moderne Simulationstools sind für kleinere Unternehmen nicht erschwinglich. Diese können nur über größere Unternehmen oder Universitäten an solche Tools gelangen. Aber auch das ändert sich. „Zum Teil sind Simulationskapazitäten für Verbundwerkstoffe schon durch Programme verfügbar, die auf einem PC und sogar mobilen Geräten laufen“, so Pipes. Er votiert für die Entwicklung einer cloudbasierten Lösung zur Verbundwerkstoff-Fertigung, mit der sich die Kosten breiter verteilen, der Zugang erleichtern und die Entwicklung von Simulationstools beschleunigen lassen. „Man kann die volle Variabilität eines Verbundwerkstoffs nicht erfassen, wenn man nicht den Fertigungsprozess simuliert“, ist sich Pipes sicher.

Dank virtueller Simulationen verringerte Cobham Life Support die Zahl zerstörender Tests an einem Brennstofftank der NASA um 50% und sparte so 500.000 US-Dollar ein.

nanoHUB.org veranschaulicht, was durch Pipes' Vision erreicht werden könnte. Die seit zehn Jahren bestehende Website bietet ihren mehr als 12.000 Nutzern 260 Simulationstools und unterstützt eine kollaborative Anwendergemeinde von 240.000 Anwendern in Forschungseinrichtungen, Vorlesungen und interaktiven Gruppen. In den 12 Monaten bis Juli 2012 sind mehr als 570.000 Simulationen abgelaufen; 80 neue Simulationstools wurden entwickelt; es vergingen im Durchschnitt weniger als sechs Monate von der Veröffentlichung eines Tools bis zur ersten Anwendung in einem Klassenraum.

UNSICHERHEIT VERRINGERN

Heute führen die Hersteller an jedem Element vor der Montage und jedem Teil vor dem Einbau in ein Flugzeug physische Prüfungen durch und tragen so zu unhaltbaren Entwicklungszyklen und -kosten bei. „Es wird nie möglich sein, völlig auf (physische) Tests zur Validierung von Modellen zu verzichten, aber wir müssen endlich das Thema der Sicherheit von Simulationsergebnissen angehen, bzw. die Art und Weise, wie wir mit Unsicherheit umgehen“, so Pipes. „Simulationstools können helfen, den Faktor Unsicherheit und seine Verbreitung in der technischen Entwicklung zu verstehen.“

Als Beispiel für das Potenzial dieses Ansatzes führt Pipes die US-Behörde National Nuclear Security Administration (NNSA) an.

Wegen eines US-Moratoriums zu Kernwaffentests kann die NNSA, eine Abteilung des amerikanischen Energieministeriums, nicht im vollen Umfang physische Leistungstests durchführen. „Wir haben vor etwa 15 bis 20 Jahren einen Zeitplan für alles ausgearbeitet, was für eine auf Simulation basierende Zertifizierung notwendig ist“, sagt Dr. Mark Anderson, technischer Berater für die NNSA aus dem Los Alamos National Laboratory, einer staatlich gestützten US-Forschungseinrichtung. Zu den wichtigsten Bestandteilen dieses Zeitplans gehörte der Übergang zu einer validierten Vorhersage, basierend auf mehrskaliger, physikalischer Computersimulation und einer Quantifizierung der Unsicherheit in den Simulationstools der NNSA.

Anfangs konnte die NNSA die Leistung von Kernwaffen auf der Grundlage neu- kalibrierter Testdaten aus der Zeit vor dem Moratorium simulieren, aber diese Prognosen wurden immer weniger verlässlich, weil sie sich von den physischen Tests immer weiter entfernten. Die NNSA versuchte daher, ihre Vorhersagemodelle durch validierte auf physikalischen Größen basierende Modelle zu ersetzen.

Zunächst wurden größer dimensionierte Tests durch viele kleine Experimente ersetzt, die die physikalischen Eigenschaften, die durch wissenschaftliche Computermodelle errechnet worden waren, validieren sollten. Diese Modelle wurden dann beginnend im Nanomaßstab über den atomaren Maßstab bis hin zur Makro- ebene des gesamten Prüfobjekts miteinander verlinkt und erneut validiert, um die Vorhersagegenauigkeit zu erhöhen. Diese Errungenschaften, erreicht durch parallele Höchstleistungsrechner in Zusammenarbeit mit der Industrie und mit Forschungsinstituten, werden durch Videos der NNSA dokumentiert. Wie ein Sprecher in einem der Videos feststellt: „Computerbasiertes Rechnen gilt immer mehr als das dritte Standbein der Wissenschaft neben der Theorie und dem Experiment.“

1 Million US-Dollar

Der Crash-Test eines einzigen Lamborghini Aventador kostet 1 Million US-Dollar.

Die NNSA setzte nicht nur die erforderlichen mehrskaligen wissenschaftlichen Methoden um, sondern begann auch, die Unsicherheit ihrer Simulationstools zu untersuchen, um sie dann zu verringern. Als die Unsicherheit der wissenschaftlich fundierten Simulationen kleiner war als die der empirischen, testbasierten Vorhersagen, war man soweit, physische Tests durch Modellierung zu ersetzen.

BALANCE ZWISCHEN PHYSISCHEN UND VIRTUELLEN TESTS

Anderson glaubt, der Ansatz der NNSA könne sehr gut für die Modellierung von Verbundwerkstoffen eingesetzt werden. „Für die meisten Branchen wäre eine Balance zwischen dem bewährten testbasierten Ansatz und diesem auf Simulation und Quantifizierung von Unsicherheit basierenden Ansatz am sinnvollsten“, so Anderson. Er merkt an, dass vielfach immer noch einfache mathematische Beschreibungen verwendet würden, die zu den empirischen Testdaten passen, obwohl die Industriemodelle für Verbundwerkstoffe bereits mit sehr viel Theorie unterfüttert seien.

Die Quantifizierung von Unsicherheit (Uncertainty Quantification – UQ) deckt sowohl die Unsicherheit von Parametern als auch die Unsicherheit der Modellform ab. „Man muss zunächst Zeit und Geld dafür aufwenden“, so Anderson „Aber es ist möglich, durch den Aufbau von Simulationskapazitäten die Testkosten beispielsweise von 500.000 US-Dollar auf 100.000 US-Dollar zu verringern.“ Er verweist darauf, dass der US-amerikanische Autohersteller General Motors UQ bereits in Crashtest-Simulationen eingesetzt hat, und dass die NASA sie in ihre Simulationstools integriert, um Tests zu ermöglichen, die nicht physisch durchgeführt werden können, wie zum Beispiel Reaktionen im Weltraum oder Tests an kompletten Strukturen, die das aktuelle Budget übersteigen würden.

Das Ergebnis ist ein „robuster“, also hoch leistungsfähiger Entwicklungsprozess, bei dem Unsicherheit nicht durch Überdimensionierung kompensiert werden muss. Beim robusten Design wird die Unsicherheit direkt in das Modell einbezogen. Die sich daraus ergebenden Konstruktionen sind weniger von Unsicherheit betroffen, die sonst durch übermäßige konstruktive Maßnahmen kompensiert werden müsste.

WIE SCHNELL IST DER FORTSCHRITT?

Laut Larry Ilcewicz, landesweiter Fachmann der FAA für Verbundwerkstoffe, werden Flugwerk- und Flugzeughersteller die direkten Vorteile von Verbundwerkstoffen in Bezug auf Betriebskosten erst nutzen können, wenn neue Verbundwerkstoff-Technologien für die Entwicklergemeinde so verfügbar sind wie Metalle – und ebenso kostengünstig zu entwickeln, herzustellen und für Fluganwendungen zu zertifizieren.

Weltweit werden die Forderungen nach neuen Tools für Verbundwerkstoffe als tragende Materialien für Flugzeugbau und -entwicklung immer lauter. Dazu gehört die Erklärung „Zertifizierung durch Analyse“ der NASA von 2009 als Losung für die Flugzeuge von morgen, aber auch europäische Simulationsprojekte, darunter das MAAXIMUS-Programm (steht für „More Affordable Aircraft through eXtended, Integrated and Mature nUmerical Sizing“ - günstigere Flugzeuge durch erweiterte, integrierte und ausgereifte numerische Dimensionierung) der EU-Kommission, das darauf abzielt, mehr- skalige Vorhersage- und Schadensmodelle zu nutzen, um die Entwicklungszeit um 20% zu verringern, die Entwicklungskosten um 10% zu senken und die Montageleistung beim Rumpf um 50% zu verbessern.

„ES IST MÖGLICH, DURCH DEN AUFBAU VON SIMULATIONSKAPAZITÄTEN DIE TESTKOSTEN BEISPIELSWEISE VON 500.000 US-DOLLAR AUF 100.000 US-DOLLAR ZU VERRINGERN.“

DR. MARK ANDERSON TECHNISCHER BERATER, LOS ALAMOS NATIONAL LABORATORY

Diese komplexen Ansätze zeigen den großen Unterschied zwischen den Einsparungen, die durch virtuelle Tests erreicht werden, und dem eigentlichen Potenzial dieses Feldes. Damit wirklich nützliche Verbundwerkstoff-Technologien – wie zum Beispiel einachsige asymmetrische Laminate, die im Vergleich mit Aluminium 40% Gewicht einsparen, oder topologie-optimierte Strukturen mit diskontinuierlichen Fasern, die die Kosten gegenüber vorimprägnierten Fasern um 50% verringern – kostengünstig zur Marktreife gebracht werden können, muss die Verbundwerkstoff-Fertigung Unterschiede in der Entwicklungsphilosophie, Geographie und Wettbewerbsfähigkeit überwinden und wissenschaftlich basierte Simulation, virtuelle Tests und analysebasierte Zertifizierung für sich übernehmen.

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von Ginger Gardiner
  • Ginger Gardiner ist seit mehr als 20 Jahren Kennerin der Verbundwerkstoffbranche. Sie schreibt für mehrere Zeitschriften mit dem Schwerpunkt Verbundwerkstoffe und ist Mitautorin des Lehrbuchs “Essentials of Advanced Composite Fabrication & Repair.