Materialermüdung ist ein großes Thema im Flugzeugbau. Die Aluminiumteile eines Flugzeugs sind ständig wechselnden Belastungen ausgesetzt und zeigen auf Dauer Ermüdungserscheinungen. Laser Shock Peening ist eine Technologie zur Oberflächenbehandlung von Metallen, die jetzt erstmals für den Flugzeugbau erforscht wird.

Herausforderung: Gezielte Oberflächenbearbeitung ohne Umweltbelastung

Traditionell werden Flugzeugteile aus Aluminium mit dem Kugelstrahl-Verfahren behandelt, um eine höhere Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Materialermüdung zu erzielen. Doch Kugelstrahlen ist nicht besonders umweltfreundlich und erlaubt außerdem keine wirklich präzise Anwendung.

Laser Shock Peening ist eine seit langem bekannte Technologie, die eine punktgenaue Oberflächenbearbeitung ermöglicht und dafür nur Licht und Wasser benötigt. Sie wurde bisher nur im amerikanischen Militärbereich angewandt, bietet aber auch im Bereich der zivilen Luftfahrt entscheidende Vorteile.

Lösung: Eine flexible Technologie, die Gewicht und Kosten spart

Das Prinzip ist eigentlich ganz einfach: Beschießt man ein Metall durch eine dünne Wasserschicht hindurch mit einem gepulsten Laserstrahl, entsteht an der Oberfläche mit jedem Impuls ein Hochdruckplasma, das sich explosionsartig ausdehnt. Die Trägheit des Wassers verhindert dabei eine Ausdehnung der Energie nach hinten, sodass sie voll auf das Metall konzentriert wird. Das Ergebnis ist eine irreversible Verformung des Metalls und eine gezielt lokale Verhärtung seiner Oberflächenstruktur.

Laser Shock Peening lässt sich optimal zur Verbesserung der Fatigue-Eigenschaften des Metalls einsetzen. Einer durch die natürliche Materialermüdung ausgelöste Rissbildung wird damit wirksam entgegengewirkt. Auch lassen sich bestimmte konstruktive Bauteile filigraner und damit leichter auslegen, ohne ihre Festigkeit zu beeinflussen.

Laser Shock Peening bietet auch neue Möglichkeiten zur großflächigen Verformung von Blechen. Der Vorteil dabei ist, dass sich die Technologie äußerst flexibel ist und sich für die unterschiedlichsten Dimensionen und Geometrien einsetzen lässt. Damit ließen sich die heutigen tonnenschweren Pressen ersetzen, die für jedes Blechteil neu eingerichtet werden müssen.

Speziell im Bereich der Luftfahrt bietet Laser Shock Peening entscheidende Vorteile. Die Technologie lässt sich nicht nur optimal in die zunehmend digitalisierten Arbeitsprozesse integrieren. Sie bietet auch maximale Flexibilität und passt damit bestens zu den eher kleinen Stückzahlen, mit denen man es im Flugzeugbau zu tun hat.

Potenzial: Neue Anwendungen für ein zukunftsfähiges Verfahren

Im TechCenter des Hamburger Zentrums für angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) wurde im Oktober 2018 die europaweit erste Laser Shock Peening Anlage in Betrieb genommen.

Diese technische Infrastruktur soll dazu dienen, unterschiedliche Anwendungen dieser Technologie für die Luftfahrt-Industrie zu entwickeln. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeit stehen dabei Lösungen zur gezielten Fatigue-Verbesserung hoch beanspruchter Flugzeug-Bauteile. Außerdem geht es um die Erforschung neuartiger Anwendungen zur Verformung von Blechteilen, die erheblich flexibler und wirtschaftlicher sind als bisherige Verfahren.

Das ZAL ist ein Unternehmen der Stadt Hamburg zusammen mit Airbus, Lufthansa Technik, dem ZAL Förderverein, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, sowie Hochschulen und Universitäten der Stadt Hamburg.

Laser Shock Peening
in Numbers

43 Millionen
Flugbewegungen im Jahr
3,8 Milliarden
Passagiere im Jahr
21.000
Flugzeuge in Deutschland zugelassen
25 Jahre
Lebensdauer eines Flugzeugs

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