Gedruckte Elektronik und Sensorik für Flugzeugbauteile

Am Fraunhofer IFAM können mittels Functional Printing-Technologien diverse Flugzeugbauteile und Komponenten funktionalisiert werden. So können gedruckte Leiterbahnen und Sensoren zur Temperatur, Dehnungs- oder Impactmessung sowie Heizstrukturen in faserverstärkte Kunststoffe für den Luftfahrtbereich eingebracht werden.

Bedarf an funktionsintegrierten Faserverbundwerkstoffen 

Der Bedarf an faserverstärkten Kunststoffen ist in den vergangenen Jahren sehr stark gewachsen. Einen der größten Märkte stellt hierbei die Luftfahrt dar: mittlerweile bestehen Flugzeuge zu mehr als 50 % aus carbonfaser- und glasfaserverstärkten Kunststoffen (CFK, GFK), wodurch ca. 100 Tonnen dieser faserverstärkten Werkstoffe zum Einsatz kommen. 

Ein großer Treiber hierfür ist der Leichtbau. Die Werkstoffe weisen ein sehr hohes Leichtbaupotential auf und sind daher deutlich leichter als Metalle. Dadurch können das Gewicht eines Flugzeugs deutlich verringert, der Treibstoffverbrauch reduziert und somit auch Kosten gespart werden. 

Darüber hinaus hat sich mittlerweile eine stark individualisierte Produktion in der Flugzeugherstellung etabliert. Nicht nur in im Flugzeuginnenraum, sondern in sämtlichen Strukturen werden Produktdesigns individuelles umgesetzt. Diese individuellen Produktdesigns in die Prozessketten der Serienproduktion zu integrieren stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Dieses Spannungsfeld zwischen Prozessketten der Großserie und gleichzeitigen geringen Losgrößen kann mit einer Funktionsintegration in Faserverbundwerkstoffen mittels digitaler Druck- und Lasertechnologien adressiert werden. 

Integration von Smart Systems in der Luftfahrt

Durch die Integration gedruckter Elektronik und Sensorik in die faserverstärkten Kunststoffe können beispielsweise Faserdefekte und Delaminationen in hochbelasteten FVK-Strukturen detektiert und die Gefahr des schlagartigen Versagens so minimiert werden. Auch kann dem Kostendruck durch eine mögliche geringere Dimensionierung sowie geringeren Sicherheitsfaktoren besser begegnet werden. Durch kontaktlos auslesbare Sensorstrukturen können die Wartungs-Prozesse und durch Funktionen gegen Vereisung z.B. eines Flügels deutlich verkürzt werden. Auch die Integration aktorischer Funktionen ist möglich. 

Im Fraunhofer-Leitprojekt »Go Beyond 4.0« konnte das Fraunhofer IFAM anhand eines Flügelelements eines Verkehrsflugzeuges die Integration von Temperatur-, kapazitiven und Impact-Sensoren sowie UHF-Antennen und LEDs in faserverstärkte Kunststoffe in einem Demonstrator aufzeigen. Bei der Integration der Smart Systems kamen dabei diverse Drucktechnologien, wie das Aerosol Jet Verfahren, Inkjet-Printing und Dispensverfahren zum Einsatz. Dabei wurden folgende Smart Systems in die Leichtbau-Verbundwerkstoffe einer Flügelvorderkante integriert: 

Gedruckte Leiterbahnen integriert in faserverstärkte Polymere

• Eigenschaften der gedruckten Leiterbahnen: reproduzierbarerer Widerstand ±2%, keine Veränderung des Widerstandes während Verbiegung
• Keine Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften der Bauteile mit integrierten gedruckten Leiterbahnen

Gedruckter Deformationssensor zur Stoßerkennung integriert in faserverstärkten Polymeren

• Der Deformationssensor/Antenne ist in ein glasfaserverstärktes Polymer integriert und kann drahtlos ausgelesen werden.

Entwicklung gedruckter Heizelemente integriert in faserverstärkten Polymeren

• Die Heizelemente können eine 2 mm dicke, -15 °C kalte Eisschicht in 6 Minuten schmelzen.
• Heizleistung von 2,3 W (9 V, 250 mA ~ 0,1 W/cm²)

Technologieentwicklung zur Integration von Standard LEDs in faserverstärktem Kunststoffmaterial

• Kein Hitzestau nach 8 Stunden Laufzeit bei 0,03 W (60 % maximale LED Leistung, 3 V, 10 mA)
• Keine Beschädigung der LEDs während der Bauteilverarbeitung

Technologieentwicklung zur Integration und Polarisation von Piezosensoren (PZT) in faserverstärkten Polymeren

• Detektion des Aufpralls von den PZT Sensoren über eine Entfernung von 30 cm (bei 0,5 Ns)
• Lokalisierung des Aufschlags durch Laufzeitunterschiede der Kompressionsdruckwellen

Im Fraunhofer-Leitprojekt »Go Beyond 4.0« hat das Fraunhofer IFAM zusammen mit fünf weiteren Fraunhofer-Institute traditionelle Fertigungsmethoden mit Zukunftstechnologien und digitalen Produktionsverfahren verknüpft. Anhand von Demonstratorbeispielen aus den drei zukunftsträchtigen Märkten Automobilbau, Luftfahrt und Beleuchtungstechnik zeigen die Partnerinstitute im Fraunhofer-Leitprojekt, dass der Einsatz digitaler Fertigungstechnologien kleine Stückzahlen von individualisierten Massenprodukten möglich macht.

Anhand eines Flügelelements eines Verkehrsflugzeuges konnte das Fraunhofer IFAM die Integration von Smart Systems in Verbundwerkstoffe für den Leichtbau umsetzen. Weiterhin wurde eine Differenzierung und Effizienzsteigerung der Produktion durch den Einsatz von Druck- und Laserfahren zur Reduktion der benötigten Sicherheitszuschläge am Beispiel gedruckter Stress- und Temperatur-Sensoren sowie Signalleitungen eines Flügels aufgezeigt. Die Projektergebnisse, die anhand des Demonstrators der Flügelvorderkante gewonnen wurden, lassen sich auch auf andere Flugzeugbauteile und Komponenten übertragen.

Das Projekt wurde im Rahmen der Vorlaufforschung Fraunhofer intern als Leitprojekt im Verbund von sechs Fraunhofer Instituten gefördert.

Die Funktionalisierung ist eine Kernkompetenz des Fraunhofer IFAM. In der Abteilung »Smart Systems« verfügt die Gruppe über umfassendes Know-how und neueste Technologien mit den Schwerpunkten auf Tinten- und Pastenentwicklung sowie auf gedruckte Elektronik und Sensorik. Die Anwendungsfelder reichen vom Automobilbau, über die Flugzeugherstellung bis hin zur Energie- und Medizintechnik.

In der Webinar-Reihe »Functional Printing« geben verschiedene Referent*innen des Fraunhofer IFAM Einblicke in aktuelle Fragestellungen der Funktionsintegration durch verschiedene Drucktechnologien.  

In diesem Webinar diskutieren Dr. Katharina Haag und Dr. Volker Zöllmer die technologischen Möglichkeiten der Funktionsintegration mit digitalen Druckverfahren in FVK verdeutlicht und weitere Anwendungsmöglichkeiten.

Mehr Informationen zur Webinar-Reihe »Functional Printing«