Sensorhaut für effizientere Flugzeuge
Winzige Sensoren in thermoplastisches Polyurethan integriert.
Um den Luftverkehr mit dem Ziel der Nachhaltigkeit zu verbinden, müssen der Treibstoffverbrauch gesenkt und die Energieeffizienz gesteigert werden. Innovative Technologien sind dabei eine treibende Kraft: Leichte, langlebige Baumaterialien und eine optimierte Aerodynamik sind nur Beispiele dafür. Um diese zu nutzen, benötigt der Flugverkehr zuverlässige Messmethoden, die Erkenntnisse zum Verhalten der Materialien liefern und Belastungen bis auf den Nanometer genau erfassen. Zur Schließung dieser Wissenslücke entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin eine Art Sensorhaut, die über die Flügel eines Flugzeugs gespannt wird, verschiedene Werte misst und diese live auswertet.
Im Fokus der Untersuchung steht der Kunststoff, der standardmäßig zur Lackierung von Flugzeugen genutzt wird: thermoplastisches Polyurethan (TPU). Die Aufgabe der Forschenden bestand darin, Teststreifen des Materials mit integrierten elektronischen Bauelementen wie Sensorsystemen aufzubauen und diese später unter verschiedenen Belastungen zu testen. In der Realität eingesetzt, kann ein solcher Sensorüberzug Informationen zu Temperatur, Luftdruck, Schwingung und Vibration der Tragflächen liefern. Hierzu muss vorab die Resistenz des Sensorstreifens gegen Chemikalien, wie zum Beispiel Enteisungsmittel oder Kerosin, untersucht werden. Flugzeughersteller gewinnen durch eine solche flächendeckende Sensorik in der Außenhaut einen detaillierten Datenpool, aus dem sich Rückschlüsse auf die Abnutzung oder Langlebigkeit des verbauten Materials ziehen lassen. Des Weiteren könnte durch eine Live-Auswertung von Umgebungsparametern und Strömungswiderständen während des Flugs der Kerosinverbrauch optimiert werden.
Obwohl das Team seine Expertise auf dem Gebiet der Aufbau- und Verbindungstechniken dehnbarer Elektronik als Grundlage anwenden konnte, war es nicht einfach, den Kunststoff mit miniaturisierten Sensoren für die Aeronautik nutzbar zu machen. Zu Beginn liegt das TPU nämlich als schlaffe Folie vor, was seine Bearbeitung kompliziert macht. Die Crux dabei ist, weder die sensiblen Bauteile noch das flexible Material während der Prozessierung zu beschädigen. Zudem muss bei extremer Dünne des Gesamtaufbaus von 200 Mikrometern eine hohe Funktionalität gewährleistet werden. Die Substratdicke ist auch für das Gewicht entscheidend, das so gering wie möglich ausfallen muss. Im ersten Schritt wurde der Kunststoff charakterisiert, so dass relevante Parameter wie die temperaturbedingte Ausdehnung oder Elastizität bekannt waren. Diese Erkenntnisse flossen wiederum in weitere Simulationen ein, die konkrete Schwachstellen sowie die Lebensdauer des TPUs unter mechanischer und thermomechanischer Belastung prognostizierten. Mit den gewonnenen Daten konnten darüber hinaus ideale Prozessparameter wie Temperatur und Druckeinstellungen für die Folienlamination sowie das Löten der Bauelemente und Komponenten abgeleitet werden.
Das Schaltungsmuster für das dehnbare Sensormodul realisierten die Forschenden mit Hilfe von Lithografie und Ätzprozessen, die standardmäßig in der Leiterplattenherstellung Anwendung finden. Nachdem die Bauelemente bestückt und gelötet wurden, demonstrierte das Team rund um Stefan Wagner und Joao Alves Marques zwei Verfahren, mit denen die Bauelemente vor äußeren Einwirkungen geschützt werden: zum einen mit Glob Tops, die ebenfalls aus Polyurethan bestehen und mikroelektronische Bauteile als aushärtende Vergussmasse versiegeln, zum anderen die Integration von dünnen Chips direkt in das Substratinnere mittels Flip-Chip-Montage. Ein klarer Vorteil der ausgewählten Technologien und Materialien ist, dass das TPU als Schaltungsträger mit integrierten Sensormodulen Flexibilität bietet, was für die Anwendung im Flugverkehr von hoher Bedeutung ist. Das biegsame Substrat kann sich an die Flügel anschmiegen und gleichzeitig die verbaute Elektronik schützen.
Nachdem die entstandenen Teststreifen erfolgreich vom Industriepartner Airbus Central C&T gegen mechanische und chemische Einflüsse getestet wurden, sind Folgeprojekte denkbar. Mit der angewandten Aufbau- und Verbindungstechnik wird beispielsweise angestrebt, die Sensorik nicht nur in Streifen, sondern auch in planare Module zu integrieren, die innerhalb einer Fläche mit bis zu sechzig Zentimeter Kantenlänge realisiert werden können. Um eine gewisse Autarkie von der Flugelektronik zu gewährleisten, ist die Untersuchung der Integration der gesamten Auswerteelektronik in solche TPU-Sensormatten von großem Interesse. So könnte das Sammeln von Daten unabhängig von Flugzeugressourcen stattfinden und die Kommunikation komplett kabellos per Funk oder Bluetooth durchgeführt werden.
Fh.-IZM / JOL
