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Aerospace Testing

Materialcharakterisierung in der Luft- und Raumfahrttechnik

Luft- und Raumfahrttechnik ist eine Schlüsseltechnologie von hoher wirtschaftlicher und strategischer Bedeutung. Aktuell sind Entwicklungen für autonomes und unbemanntes Fliegen - Advanced Air Mobility (AAM) und Unmanned Air Systems (UAS) – in vollem Gange, flankiert von großen Fortschritten im Bereich Flugmanagement und Kontrollsystemen. In der heutigen „New Space Ära“ kooperieren private Unternehmen mit etablierten Raumfahrtorganisationen und treiben weltweit mit Hochdruck die Entwicklung eigener Trägerraketen voran, um der wachsenden Nachfrage nach Weltraumstartdiensten zu begegnen. Vor dem Hintergrund die Luftfahrtindustrie in eine nachhaltige Zukunft zu führen, wird mittelfristig die Entwicklung von Antriebssystemen auf Basis von Sustainable Aviation Fuels (SAF) und langfristig auf Basis von Wasserstoff forciert. Bestehende Flotten werden modernisiert und der Bedarf für die Instandhaltung von Luftfahrtzeugen – Maintenance, Repair and Overhaul (MRO) – steigt stetig.

Mit Prüfsystemen für die Materialprüfung bei kryogenen Temperaturen von -253°C (20K) bis zu Hochtemperatur-Prüfsystemen von bis zu 2000°C befähigen wir unsere Kunden für die Entwicklung immer leistungsfähigerer Leichtbaumaterialien und -strukturen. Entdecken Sie unsere Kompetenz, langjährige Erfahrung und tiefes Anwendungsverständnis für die mechanische Prüfung von metallischen Werkstoffen, faserverstärkten Kunststoffen und Sandwich-Composites, keramischen Werkstoffen und für die Prüfung von Verbindungselementen für Luft- und Raumfahrtanwendungen. Statische und dynamische Materialprüfmaschinen von ZwickRoell werden bei unseren Aerospace Kunden weltweit auf allen TRL-Ebenen eingesetzt und ermöglichen NADCAP akkreditierte Prüflösungen.

Metall Composite Hochtemperatur kryogene Temperaturen Verbindungselemente Härteprüfung Kundenprojekte

Aerospace Testing - Metall

Aluminiumlegierungen sind aufgrund ihrer guten gewichtsspezifischen Kennwerte, etablierter Fertigungsprozesse und Berechnungsmethoden in Luft- und Raumfahrtstrukturen weit verbreitet. Titanlegierungen, eine weitere Klasse von Leichtmetallen, besitzen ebenfalls sehr gute gewichtsspezifische Kennwerte, eine gegenüber Aluminium weit bessere Korrosionsbeständigkeit und sehr gute Hochtemperatureigenschaften. Sie werden deshalb insbesondere für mechanisch hochbeanspruchte Bauteile und für Triebwerkskomponenten eingesetzt. Zu einem geringen Maße finden sich auch hochfeste Stahllegierungen in ebenfalls hochbeanspruchten Strukturbauteilen. 

Große Fortschritte bei additiven Fertigungsverfahren für Metalle ermöglichen heute die Gestaltung hochkomplexer Leichtbaustrukturen, die mit herkömmlichen Fertigungsprozessen vorher nicht realisiert werden konnten. Metallische Werkstoffe, insbesondere Leichtmetalle und deren Legierungen, spielen somit eine Schlüsselrolle bei der Konstruktion und Fertigung von Luftfahrzeugen und Raumfahrtsystemen

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Wichtige Metall-Prüfnormen

Neben statischen Prüfmethoden spielen Ermüdungsversuche an metallischen Werkstoffen eine herausragende Rolle, um das Verhalten der in Luft- und Raumfahrtstrukturen eingesetzten metallischen Werkstoffe unter realen Belastungsbedingungen zu ermitteln. ZwickRoell deckt mit seinen Prüfsystemen alle gängigen Metall Normen ab. Neben standardisierten Lösungen bieten wir verschiedene Stufen von kundenspezifischen Anpassungen und automatisierte Prüfsysteme für Metalle.

Zugversuch Metall
ASTM E8
zu Zugversuch Metall
Zugversuch Metall
ISO 6892-1
zu Zugversuch Metall
Low Cycle Fatigue Versuche (LCF)
ISO 12106, ASTM E606
zu Low Cycle Fatigue Versuche (LCF)
Bruchmechanik: kritischer Spannungsintensitätsfaktor K1C
ASTM E399
zu Bruchmechanik: kritischer Spannungsintensitätsfaktor K1C
Bruchmechanik: Risswachstum da/dN und Schwellwert
ASTM E647
zu Bruchmechanik: Risswachstum da/dN und Schwellwert

Aerospace Testing - Composites

Faserverstärkte Kunststoffe und Sandwich-Composites

Durch ihre herausragenden gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften sind faserverstärkte Kunststoffe und Sandwich Composites für Leichtbau-Strukturen in der Luft- und Raumfahrttechnik fest etabliert. Insbesondere Laminate aus karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erlauben durch ihre vorteilhaften Ermüdungseigenschaften Vereinfachungen bei der Konstruktion und Auslegung von Luftfahrtstrukturen. Die höhere Korrosionsbeständigkeit verglichen mit etablierten metallischen Werkstoffen ist ein weiterer Grund für den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen in dieser Branche. Der Bereich Luft- und Raumfahrt war und ist weiterhin ein Vorreiter bei der stetigen Weiterentwicklung von Composite Materialsystemen, Herstellungsprozessen und nicht zuletzt von mechanischen Versuchsmethoden zur Charakterisierung von Composite-Laminaten und Sandwich Composites.

Neben einem breiten Spektrum von statischen und dynamischen Versuchen bei Raumtemperatur werden für Composites in Luftfahrtstrukturen auch häufig Versuche im etablierten Temperaturbereich von -55°C (-67°F) bis 121°C (250°F) durchgeführt. Aktuell rücken durch die in den letzten Jahren stark intensivierte Entwicklung alternativer und nachhaltiger Antriebskonzepte, und der dabei für größere Flugzeuge günstigsten Speicherung von flüssigem Wasserstoff bei kryogenen Temperaturen, statische und Ermüdungsversuche bei Tiefsttemperaturen von -253°C (20K) immer mehr in den Fokus.

Mehr zur Composite-Prüfung mehr zu kryogenen Prüfverfahren
 

Wichtige Composite Prüfnormen in der Luft- und Raumfahrttechnik

PrüfmethodeNormWerksnormen Airbus / Boeing
Composite-Zugversuche
  • Airbus AITM 1-0007
  • Boeing BSS 7320
Composite-Druckversuche
  • Airbus AITM 1-0008
  • Boeing BSS 7260 Type I, III & IV
In-Plane Scherversuche
  • ASTM D3518
  • ISO 14129
  • Airbus AITM 1-0002
Composite-Biegeversuche
Interlaminare Scherfestigkeit ILSS
  • ASTM D2344, ISO 14130, EN 2563
Compression After Impact CAI
  • ASTM D7136
  • ASTM D7137
  • Airbus AITM 1-0010
  • Boeing BSS 7260 Type II
Lochleibung und Verbindungsfestigkeit
  • ASTM D5961
  • AITM 1-0009
  • Airbus AITM 1-0065
Interlaminare Energiefreisetzungsrate

Mode I DCB-Test

  • ISO 15026
  • ASTM D5528
  • Airbus AITM 1-0005
  • Boeing BSS 7273

Mode II ENF-Test

  • ASTM D7905
  • Airbus AITM 1-0006

     

Aerospace Testing - Hochtemperatur

Um das Hochtemperaturverhalten der in Flugzeugtriebwerken eingesetzten metallischen Werkstoffe zu ermitteln, werden vor allem Zugversuche bis 1200 °C an einer mit einem Hochtemperaturofen ausgestatteten statischen Prüfmaschine durchgeführt. Die Kombination der Prüfmaschine mit einer Standard-Temperierkammer und einem Hochtemperaturofen ermöglicht darüber hinaus die Abdeckung eines sehr großen Temperaturbereichs, der von niedrigen Temperaturen bis hin zu 1200 °C reicht. Zur Bestimmung der Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von hochbeanspruchten Bauteilen unter extremen Bedingungen, werden Hochtemperatur-Metalle außerdem Kriechversuchen / Zeitstandversuchen und Kriechermüdungsversuchen unterzogen, um z.B. Kriechgrenzen und Kriechfestigkeiten für verschiedene Temperaturlevel zu ermitteln. Dies hilft unseren Kunden, das Verhalten neuer Hochtemperatur-Legierungen zu verstehen, die Auswahl des richtigen Materials für eine bestimmte Anwendung zu treffen und liefert geeignete Daten für die Gestaltung von Hochtemperatur-belasteten Bauteilen.

Auch die mechanische Belastbarkeit keramischer Verbundwerkstoffe (CMCs) kann bei Höchsttemperaturen von bis zu 2.000 °C geprüft werden. Dabei wird die Eignung von CMCs für spezifische Anwendungen anhand von Zug-, Druck-, Schub-, Biege-, Kriech- und Kriechermüdungstests bewertet. Um sicherzustellen, dass CMCs unter realen Betriebsbedingungen getestet werden, können die Versuche unter Vakuum- und Inertgas-Bedingungen in einem Temperaturbereich von 650 °C bis 2.000 °C durchgeführt.

Hochtemperatur-Prüfsysteme von ZwickRoell ermöglichen außerdem die berührungslose Dehnungsmessung bis zur Maximaltemperatur. Ein vorzeitiges Versagen empfindlicher Proben, hervorgerufen durch Einkerbungen bei üblichen berührenden Messsystemen, kann somit ausgeschlossen werden. Ein automatischer und adaptiver Hochtemperaturregler ermöglicht eine hochpräzise Temperaturregelung und vermeidet Bedienerfehler. Die für Hochtemperaturprüfungen oft benötigten Opferproben sind nicht mehr notwendig.

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Wichtige Normen und Prüfsysteme für die Hochtemperatur-Prüfung

Zugversuch Metall bei erhöhter Temperatur
ASTM E21
zu Zugversuch Metall bei erhöhter Temperatur
Zugversuch Metall bei erhöhter Temperatur
ISO 6892-2
zu Zugversuch Metall bei erhöhter Temperatur

Aerospace Testing - Kryogene Prüfverfahren

Für Trägerratensysteme in der Raumfahrt werden verschiedene Flüssigtreibstoffe verwendet, die auf kryogene Temperaturen heruntergekühlt werden müssen. Ihre Auswahl hängt von den spezifischen Anforderungen der Mission, der gewünschten Leistung und den technologischen Möglichkeiten, auch bei der Herstellung der Flüssigtreibstoffe ab. Durch die jahrzehntelange Erfahrung bei der Entwicklung von Trägerraktensystemen in der Raumfahrt existiert somit bereits Erfahrung zum Materialverhalten verschiedener Werkstoffe bei kryogenen Temperaturen. Dieses Wissen ist jedoch nicht weitläufig verfügbar und existiert nicht für neue Materialsysteme. Auch wurden bisherige Raketen für einmalige Starts entwickelt, während manche aktuellen Systeme für mehrmalige Starts und Wiederverwendbarkeit ausgelegt werden. Für zukünftige nachhaltige Antriebskonzepte in der Luftfahrt wird langfristig die Verwendung von flüssigem Wasserstoff angestrebt, welcher dann bei -253 °C (20 K) an Bord gelagert werden muss. 

Durch die sehr lange Lebensdauer moderner Verkehrsflugzeuge rückt damit neben dem statischen Materialverhalten bei kryogenen Temperaturen nun auch verstärkt das Ermüdungsverhalten der für die Konstruktion der On-Bord Systeme verwendeten Werkstoffe in den Fokus. Die bisherigen Erkenntnisse über Materialverhalten bei kryogenen Temperaturen aus der Raumfahrt sind somit nur bedingt auf die zukünftigen Entwicklungen im Bereich der Luftfahrt übertragbar.

ZwickRoell bietet im Bereich der kryogenen Prüfverfahren statische und dynamische Prüflösungen für die Materialcharakterisierung von metallischen Werkstoffen sowie von unverstärkten und faserverstärkten Kunststoffen. Je nachdem welche kryogenen Temperaturen dabei erreicht werden sollen, kommen Tauchkryostate (77 K) oder Durchflusskryostate (Raumtemperatur bis 15 K) zum Einsatz.

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Aerospace Testing - Verbindungselemente

Neben den mechanischen Eigenschaften der in Luft- und Raumfahrtstrukturen verwendeten Materialien, wird das Strukturverhalten maßgeblich durch die Eigenschaften der vielfältig eingesetzten Bolzen- und Nietverbindungen bestimmt. Hierfür müssen die statischen Festigkeiten und mit Hilfe von dynamischen Versuchen insbesondere auch die Ermüdungsfestigkeit der verwendeten mechanischen Verbindungselemente geprüft werden, die insbesondere in den genormten Prüfverfahren nach ASTM F606 sowie nach NASM 1312-8 und NASM 1312-13 definiert sind.

ZwickRoell bietet statische und dynamische Prüflösungen, um diese Prüfungen sicher und effizient durchzuführen.

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Wichtige Normen zur Prüfung von Verbindungselementen

Prüfung von Muttern
DIN EN ISO 898-2, ASTM F606-2, DIN EN ISO 3506-2
zu Prüfung von Muttern
Prüfung von Schrauben
DIN EN ISO 898-1, ASTM F606-1, DIN EN ISO 3506-1
zu Prüfung von Schrauben

Aerospace Testing - Härteprüfung

An metallische Bauteile und Komponenten für Luft- und Raumfahrtanwendungen und in der Wehrtechnik werden höchste Ansprüche an Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Funktionsintegrität gestellt, teils unter extremen Einsatzbedingungen. Bei dem in der Luft- und Raumfahrt verwendeten Safe-Life Konstruktionsprinzip ist beispielsweise der Ausfall oder eine Fehlfunktion eines so konstruierten Bauteils während der vorgesehenen Lebensdauer ausgeschlossen. Metallische Bauteile werden daher einer engen Prozessüberwachung und genauen Qualitätskontrollen unterzogen. Hierbei spielt auch die Härteprüfung eine wesentliche Rolle.

ZwickRoell bietet Härteprüfmaschinen nach allen etablierten Härteprüfverfahren und internationalen Prüfnormen.

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Wichtige Härte-Prüfnormen

Brinell Härteprüfung Metall
ISO 6506, ASTM E10
zu Brinell Härteprüfung Metall
Rockwell Härteprüfung Metall
ISO 6508, ASTM E18
zu Rockwell Härteprüfung Metall
Vickers Härteprüfung Metall
ISO 6507, ASTM E92, ASTM E384
zu Vickers Härteprüfung Metall

Wir suchen und finden für jede Ihrer Anforderung die optimale Prüflösung.

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