“Als het gaat om het gewicht van een vliegtuig, opereren we per definitie op de grens van het mogelijke”, zegt Marcel Bos. “Als een commercieel vliegtuig te zwaar is, is het niet efficiënt en commercieel gezien niet aantrekkelijk. Door gebruik te maken van nieuwe, geavanceerde materialen kunnen we de grenzen van het toelaatbare blijven verleggen.” Bos is hoofd van de afdeling Aerospace Vehicles Integrity & Lifecycle Support bij het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum.
Elke twee jaar komen onderzoeksinstituten, universiteiten, partners uit de industrie, vliegtuiggebruikers en regelgevende instanties uit zeventien landen bijeen op ICAF, een toonaangevende internationale conferentie die zich richt op vermoeiing en de integriteit van materiaalstructuren. Bos is secretaris-generaal van ICAF (International Committee on Aeronautical Fatigue and Structural Integrity) en tevens verantwoordelijk voor de organisatie van het 38e jaarlijkse evenement, dat eind juni in Delft plaatsvond. “In tegenstelling tot de situatie zeventig jaar geleden, toen het gebruik van metaal in de vliegtuigbouw nog in de kinderschoenen stond, hebben we nu een goed begrip van hoe vermoeiing werkt. De grootste uitdagingen nu, in 2023, zijn met name de komst van nieuwe, geavanceerde materialen en personeelstekorten in het vliegtuigonderhoud.”
Het effect van nieuwe materialen op vermoeiing
Een vraag die uitgebreid werd besproken op de ICAF-conferentie was welk effect nieuwe materialen – zoals 3D-geprinte metalen en vezelversterkte kunststoffen – zouden kunnen hebben op de levensduur van vliegtuigen. Vezelversterkte kunststoffen hebben geen last van vermoeiing zoals metalen bij wisselende trekspanningen, maar ze worden wel beïnvloed door drukbelastingen. Bovendien bestaat bij het 3D-printen van metaal het risico dat er kleine holtes in het materiaal ontstaan, die uiteindelijk kunnen leiden tot vermoeiingsscheuren.
Om voorspellingen te kunnen doen over hoe metalen constructieonderdelen zich precies zullen gedragen, vertrouwt de sector nog altijd op de wet van Paris, een theorie over scheurpropagatie die teruggaat tot de jaren zestig. Deze wet bleek in veel gevallen ontoereikend. De methode is bijvoorbeeld niet goed in het voorspellen van de levensduur van metalen constructies bij fluctuerende patronen van wisselende belastingen, zoals die worden veroorzaakt door turbulentie in vliegtuigen.
Baanbrekend onderzoek: steeds nauwkeurigere voorspellingen over de levensduur
Op het ICAF presenteerde Emiel Amsterdam, senior wetenschapper bij NLR, de onderzoeksresultaten van het project PRediction Of Fatigue in engineering alloys (PROF). Hierbij werkte NLR samen met de TU Delft, Airbus, Embraer, de Koninklijke Luchtmacht en anderen. Amsterdam, de projectleider, ontwikkelde een nieuwe formule die niet alleen de potentiële elastische energie (zoals de wet van Paris) omvat, maar ook de grootte van het plastische rekveld. Door naar de elastische energie in een spectrum van fluctuerende variabele belastingen te kijken, kunnen we de levensduur van een constructie beter voorspellen.
“Daardoor kunnen we metalen constructies langer gebruiken, waardoor ze duurzamer worden”, zegt Bos. “Na vijfenzeventig jaar beginnen we eindelijk goed te begrijpen hoe vermoeiing werkt. Tot nu toe moesten we voor elk spectrum materiaaltesten uitvoeren, maar met deze nieuwe theorie kunnen we in de toekomst de levensduur voor elk willekeurig spectrum aan spanningen berekenen. Bovendien kunnen we met deze kennis materialen ontwerpen die beter bestand zijn tegen vermoeiing.
Automatisering en digitalisering
De oplossing voor het tekort aan vliegtuigonderhoudspersoneel ligt wellicht in automatisering en digitalisering. Een van de vele voorbeelden is het gebruik van thermografie voor het inspecteren van vliegtuigen op mogelijke schade. Wanneer een kleine hoeveelheid warmte op de constructie wordt toegepast, kan een inspecteur met een extreem gevoelige camera plekken zien waar de constructie anders reageert: het materiaal warmt anders op waar schade is. Dankzij deze technologie kan een vliegtuig met relatief weinig personeel worden geïnspecteerd.
“Ook de ontwikkeling van vezeloptica is erg veelbelovend”, zegt Bos. “De vezels worden op verschillende kritische structurele elementen van het vliegtuig gelijmd. Met speciale meetapparatuur kun je vervolgens zien welke krachten en vervormingen er op die punten optreden. Daarmee kunnen we straks de conditie van een vliegtuig veel beter monitoren en voorspellingen doen.”
Van pen en papier naar digitaal ontwerp en virtueel testen
In gebieden waar inspectiegegevens nog steeds met pen en papier worden vastgelegd, gaat digitale techniek een groot verschil maken. Met behulp van alle gegevens die sensoren verzamelen, kunnen algoritmen nauwkeurige voorspellingen doen. Bos heeft ook hoge verwachtingen van de gegevensstroom tussen vliegtuiggebruikers en vliegtuigfabrikanten.
“Als ze elkaar inlichten over hoe vliegtuigen worden gebruikt en wat het effect is op het onderhoud, dan is dat echt een voordeel. Als jouw helikopter nooit meer doet dan simpele rondvluchten, is dat wel iets anders dan als het regelmatig op het dek van een stampend en rollend schip moet landen. Omdat we dankzij de digitalisering al die informatie boven tafel krijgen, kunnen we bij de ontwikkeling en productie van een vliegtuig veel beter rekening houden met de omstandigheden.”
Simulaties – ook wel ‘virtueel testen’ genoemd – was een ander onderwerp dat in Delft veelvuldig ter sprake kwam. Met behulp van geavanceerde computermodellen wordt de structuur van een vliegtuig slechts een onderdeel van het complete vliegtuigsysteem. Terwijl in het verleden het materiaal zelf werd bestudeerd, kan in simulaties bijvoorbeeld ook worden meegenomen hoeveel warmte motoren en boordsystemen uitstoten en hoe dat de structuur beïnvloedt. “Het bij elkaar brengen van al die systemen voor het testen zorgt zeker voor een aantal complexe testen,” zegt Bos, “maar de resultaten zijn ook veel vollediger.”
Een drijfveer voor duurzame luchtvaart
En vergeet natuurlijk de overgang van fossiele brandstoffen naar klimaatneutrale aandrijfsystemen niet. Ook dat heeft grote gevolgen voor de veiligheid van een constructie, omdat die aan andere belastingen wordt blootgesteld. “Neem nou waterstof. Dat is nog vloeibaar bij –253 °C, maar bij die temperatuur zijn metalen veel kwetsbaarder voor beschadigingen. Over het algemeen kunnen omgevingsomstandigheden zoals temperatuur en vochtigheid – en dan hebben we het nog niet eens over de aanwezigheid van waterstof zelf – vermoeiing beïnvloeden. Er is onderzoek nodig om te zien hoeveel invloed de temperatuur en de waterstof daadwerkelijk hebben.”
Ligeia Paletti, R&D-ingenieur en managementconsultant voor circulaire economie, duurzaamheid en innovatie bij NLR, gaf een lezing op ICAF. Paletti stelt dat er een direct verband bestaat tussen de duurzaamheid en de structurele integriteit van een constructie. Hoe toleranter een constructie is voor beschadigingen, hoe langer de levensduur van een vliegtuig. En des te lichter het is, des te efficiënter (en dus duurzamer) het vliegt. “De transitie naar een klimaatneutrale sector is een kans om andere disciplines binnen de lucht- en ruimtevaartsector te ondersteunen op het gebied van kennis, modellen en technologie.”
“De transitie naar een klimaatneutrale sector is een kans om andere disciplines binnen de lucht- en ruimtevaartsector te ondersteunen op het gebied van kennis, modellen en technologie.”
Efficiënter, sneller, minder arbeidsintensief
Uiteindelijk moeten deze technologieën het vliegtuigonderhoud efficiënter, sneller en minder arbeidsintensief maken. In de praktijk worden deze ontwikkelingen echter nog maar beperkt toegepast.
“Inspecteurs controleren rotorbladen van een helikopter momenteel door met een hamertje over de volle lengte van het blad te tikken. Als ze een dof geluid horen, betekent dat schade. Het is erg arbeidsintensief maar wel betrouwbaar. Moderne thermografie en vezelsensoren kunnen dit veel efficiënter doen. Maar eerst moet duidelijk aangetoond worden dat deze manier net zo betrouwbaar is. Veel van die ontwikkelingen zitten momenteel in die fase.”
Dat er veel zal veranderen is nog te voorzichtig uitgedrukt. “ICAF bestaat al sinds 1951. Hoewel we vermoeiing steeds beter leren begrijpen, betekenen alle recente ontwikkelingen dat het nu net zo belangrijk is om over zulke zaken na te denken als zeventig jaar geleden,” vertelt Bos tot slot. “Ons werk is nog lang niet klaar.”
