SHM of bionic 3D printed structural components via direct-to-shape ink-jet printing of strain sensors

Ultra-lightweight construction is the key to implementing aviation's zero-emission strategy. In particular, the replacement of hydrocarbon-based drives with electric drives with a higher number of smaller units in aerodynamically optimal positions on the airframe is disruptively changing current design guidelines, which, for example, have to take into account thermal damage to the engine mounts on the airframe in the event of engine fires. Bionic, weight-optimized component design already available today uses topology optimization for the highest possible uniform load along load paths, which leads to complex free-form geometries of truss-like struts. Their economical production is hardly possible conventionally (forging, CNC machining) and requires additive manufacturing methods (AM, "3D printing") with the required materials of the highest specific strength (e.g. TiAl6V4, PEI). However, the layer-by-layer structure used, e.g. from the powder bed (PBF) or with filaments (FDM), leads to significantly higher defect densities (pores, inclusions, bonding errors between the layers, etc.) compared to rolled products, for example, which occur frequently in transitions with large differences in wall thickness (bionic truss nodes). This requires very complex non-destructive material testing (NDT) - before installation with e.g. computer tomography and during each inspection with e.g. ultrasound. Complex curved bionic surfaces are extremely difficult and time-consuming to test manually, which is currently the barrier to AM production of (primary) structural components. Structural Health Monitoring (SHM) with continuous sensor monitoring of highly stressed component areas offers a highly economical solution, but has so far been lacking specifically for complex bionic freeform surfaces, e.g. sensors that can be printed onto components for strain measurement, for example.

The aim of "3d-strain-sense" with a transdisciplinary team of specialists from SMEs and R&D institutes is therefore to develop functional direct-to-shape printing of resistive sensors on convex and concave freeform surfaces using robot-controlled inkjet printing. For the first time, the parts to be printed are moved in a vertical printing direction in order to enable significantly higher precision and reproducibility compared to tilted print heads as well as printing within envelope structures (JR). The development of demonstrators for additional tank mounts with high demand in small aircraft (Mali-Air in cooperation with Eclipse Aerospace and Diamond Aircraft as associated aircraft manufacturers) enables not only medium-term commercial project benefits (2025) but also scientifically sound fatigue testing and failure investigations on bionic PBF TiAl6V4 and FDM PEI demonstrators in the laboratory (MCL) and thus the crucial data basis for the validation of the process simulation (SinusPro) as an essential basis for AM further development especially for topology-optimized components with heat concentration in truss nodes that are difficult to manufacture (JR, Alphacam). Lifetime prediction and crack progression calculation complete this further development of SinusPro to medium-term (2025) commercially available software for virtual AM product development ("digital twin") - taking into account the guidelines for component design for direct-to-shape printing.

The demonstrators also serve as a bridge for the long-term integration of SHM into the airframe (and thus for the integration of AM and thus bionic ultra-lightweight components into the primary structure) until 2035, with extensive LOIs from technology partners and the exploitation network covering our commercialization strategy, especially in the area of ​​small aircraft.

[Original text]
"SHM von bionischen 3D-Druck-Strukturbauteilen über Direct-to-Shape Ink-Jet-Printing von Dehnungssensoren"
Ultra-Leichtbau ist der Schlüssel für die Umsetzung der Zero-Emission-Strategie der Luftfahrt. Vor allem der Ersatz von Kohlenwasserstoff-basierten durch Elektro-Antriebe mit höherer Anzahl kleinerer Aggregate an aerodynamisch optimalen Positionen am Airframe ändert disruptiv derzeitige Konstruktionsleitlinien, die z.B. thermische Schädigung der Triebwerksbefestigungen am Airframe im Falle von Triebwerksbränden berücksichtigen müssen. Heute bereits verfügbare bionische, gewichtsoptimierte Bauteilauslegung nutzt die Topologie-Optimierung für möglichst gleichmäßig hohe Belastung entlang von Lastpfaden, was damit zu komplexen Freiformgeometrien von Fachwerk-ähnlichen Verstrebungen führt. Deren wirtschaftliche Fertigung ist konventionell (Schmieden, CNC-Zerspanen) kaum möglich und bedarf additiven Fertigungsmethoden (AM, „3D-Druck“) mit den erforderlichen Werkstoffen höchster spezifischer Festigkeit (z.B. TiAl6V4, PEI). Der dabei genutzte lagenweise Aufbau, z.B. aus dem Pulverbett (PBF) oder mit Filamenten (FDM), führt aber gegenüber z.B. Walzprodukten zu signifikant höheren Fehlerdichten (Poren, Einschlüsse, Bindefehler zwischen den Lagen, etc.), welche z.B. gehäuft in Übergängen mit großen Wandstärkenunterschiede (bionische Fachwerkknoten) auftreten. Damit wird sehr aufwendige zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (NDT) erforderlich – vor Einbau mit z.B. Computertomographie und bei jeder Inspektion mit z.B. Ultraschall. Komplex gekrümmte bionische Oberflächen sind dabei nur extrem schwierig und zeitaufwendig manuell prüfbar, was derzeit die Barriere zur AM-Fertigung von (Primär-)Strukturbauteilen darstellt. Structural Health Monitoring (SHM) mit kontinuierlicher sensorischer Überwachung höchstbeanspruchter Bauteil-Bereiche bietet dafür einen höchst wirtschaftlichen Ausweg, fehlt aber bislang speziell für komplexe bionische Freiformoberflächen, z.B. auf Bauteile aufdruckbare Sensorik zur z.B. Dehnungsmessung.

Ziel von „3d-strain-sense“ mit einem transdisziplinären Team von Spezialisten aus KMUs und F&E-Instituten ist daher die Entwicklung von funktionalem Direct-to-Shape-Druck von resistiven Sensoren auf konvexe und konkave Freiformoberflächen mittels Roboter-gesteuertem Inkjet-Druck. Erstmalig werden die zu bedruckenden Teile bei vertikaler Druckrichtung bewegt, um signifikant höhere Präzision und Reproduzierbarkeit gegenüber gekippten Druckköpfen sowie auch den Druck innerhalb von Hüllstrukturen zu ermöglichen (JR). Die Entwicklung von Demonstratoren für Zusatztankhalterungen mit hohem Bedarf in Kleinflugzeugen (Mali-Air in Kooperation mit Eclipse Aerospace und Diamond Aircraft als assoziierte Flugzeughersteller) ermöglicht neben bereits mittelfristigem kommerziellen Projektnutzen (2025) auch die wissenschaftlich-fundierte Ermüdungsprüfung und Versagensuntersuchung an bionischen PBF TiAl6V4- und FDM PEI-Demonstratoren im Labor (MCL) und damit die entscheidende Datenbasis für die Validierung der Prozesssimulation (SinusPro) als essentielle Basis zur AM-Weiterentwicklung speziell für Topologie-optimierte Komponenten mit fertigungstechnisch schwieriger Wärmekonzentration in Fachwerkknoten (JR, Alphacam). Lebensdauervorhersage und Rissfortschrittsrechnung schließen diese Weiterentwicklung von SinusPro zu mittelfristig (2025) kommerziell verfügbarer Software für virtuelle AM-Produktentwicklung („digital twin“) ab – unter Berücksichtigung der Leitlinien zur Bauteilkonzeption für Direct-to-Shape-Printing.

Die Demonstratoren sind zudem Brücke für die langfristige Integration der SHM in den Airframe (und damit für die Integration von AM und damit bionischen Ultra-Leichtbauteilen in die Primärstruktur) bis 2035, wobei weitreichende LOIs von Technologiepartnern und des Verwertungsnetzwerks vor allem im Bereich von Kleinflugzeugen unsere Kommerzialisierungsstrategie abdecken.