Verbundprojekt "HEATS" - Heatable anti-ice functionalized and transparent safety wind shields; Titel des Teilvorhabens: Korrelations- und Funktionsanalysen zur Evaluation neuartiger Eisschutzsysteme

Abstract

Derzeitiger Stand von Wissenschaft und Technik: Effiziente Eisschutzsysteme für Luftfahrtanwendungen gewinnen aufgrund der stetig steigenden Elektrifizierung mehr und mehr an Bedeutung. Für die in HEATS adressierte Anwendung Cockpitscheiben ist die Verwendung von bedarfsgerechten und modular aufgebauten Funktionsschichten für Polycarbonat-Verbundscheiben in vielerlei Hinsicht innovativ: die Funktionsschichten aus aktiven und passiven Heizsystemen sowie die eisphobe Oberfläche, die die Effizienz der Heizsysteme steigern soll, sind hier material- und systemseitig ein Meilenstein. Die Verwendung von Polycarbonatscheiben mit der entsprechenden UV-Schutzschicht übersteigen bei weitem den heutigen Stand der Technik, indem deutlich schwerer Glasverbünde zum Einsatz kommen. Zu den genannten Entwicklungen leistet das Fraunhofer IFAM einen signifikanten Beitrag. Darüber hinaus wird durch die Parameter und Korrelationsanalyse zu eisphoben Beschichtungen der Grundstein für deren zukünftige Anwendungen gelegt. Bisher waren eine Vielzahl von Labor-basierten Testsystemen in Gebrauch, allerdings ohne Vergleichsmöglichkeiten zu deutlich komplexeren Eiswindkanalversuchen oder Flugtests. Dies ist jedoch notwendig, um bereits in frühem Entwicklungsstadium eine Potentialabschätzung geben zu können. Das Projekt HEATS liefert hierzu nun Daten und ist zudem im Bereich der Korrelationsuntersuchungen zu relevanten Oberflächenparametern für die eisphobe Performance führend, so dass bei zukünftigen Entwicklungen effizient das Alterungsverhalten und damit Monitoring-Tools identifiziert werden können. Begründung/Zielsetzung der Untersuchung: Das im Verbundprojekt HEATS angestrebte Gesamtziel „Leistungsfähige und effiziente Luftfahrt“ wird durch die Entwicklung energieeffizienter und gewichtseinsparender Eisschutzsysteme für Cockpitscheiben verfolgt und stellt einen enormen Technologievorsprung dar. Dieser ermöglicht außerdem die Stärkung der technologischen Vorreiterrolle der deutschen Industrie. Hierzu leistet das Teilvorhaben „Korrelations- und Funktionsanalysen zur Evaluation neuartiger Eisschutzsysteme“ des Fraunhofer IFAM einen weiteren Beitrag: mit der Erhebung von Daten zu eisphoben Oberflächen hinsichtlich relevanter Oberflächenparameter und Eistestparameter werden zukünftige Entwicklungsprozesse deutlich verkürzt und effizienter. Damit wird auch der Wissenschaftsstandort Deutschland nachhaltig gestärkt. Methode: Die Aufgabenstellung in diesem Forschungsvorhaben war der multifunktionale Schichtaufbau für Polycarbonat-Verbundscheiben. Da Transparenz für Cockpitscheiben eine maßgebliche Anforderung darstellt, lag die Herausforderung in der Einarbeitung von Nanopartikeln zum Erreichen der gewünschten Funktionen. Hierzu wurden Herstellungs-, Applikations- und Charakterisierungstests durchgeführt, für die nur in Teilen standardisierte Verfahren verfügbar sind. Neue Testsysteme wurden entwickelt und unterschiedliche Testverfahren miteinander verglichen. Hierzu liefert das Projekt nun insbesondere zu eisphoben Beschichtungen Daten, die für eine effiziente Weiterentwicklung genutzt werden können und ebenso auf andere Anwendungsbereiche übertragen werden können. Ergebnisse: Innerhalb des HEATS Projektes arbeitete das Fraunhofer IFAM eng mit dem Projektpartner KRD Coatings zusammen. Für die Definition der Anforderungen und für die Ergebnisdiskussion wurden dann die assoziierten Partner Airbus Helicopters and Airbus SAS mit einbezogen. Im Folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse zu den einzelnen Arbeitspaketen dargestellt. HAP 1: Beständige eisphobe Beschichtungen: Im Rahmen des HAPs wurden die technischen Spezifikationen für die zu entwickelnden Materialien erstellt, auf Basis dessen die Materialentwicklung durch das IFAM unterstützt wurde. Zu den Ergebnissen zählten u.a. die Herstellung von Dispersionen zur Einarbeitung in transparente Lacksysteme und die umfangreiche Charakterisierung der durch KRD Coatings entwickelten Beschichtungen, die für die Materialauswahl der Demonstratorproben in HAP3 genutzt wurden. HAP 2: Transparente Heizschichten: Im Rahmen des HAPs wurden die technischen Spezifikationen für die zu entwickelnden Materialien erstellt, auf Basis dessen die Materialentwicklung stattfand. Ein Rohstoffscreening und Marktrecherche wurde durchgeführt und die identifizierten Rohstoffe (Nano-basiert) dann hinsichtlich Dispersions- und Stabilisierungseigenschaften zu Lackadditiven vorbereitet, die KRD Coatings für die weitere Lackformulierung zur Verfügung gestellt wurden. Darüber hinaus wurden Applikationsversuche auf den relevanten Kunststoffoberflächen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden für die Finalisierung der Demonstratoren in HAP 3 verwendet HAP 3: Korrelationen und Systemvalidierung: Im Rahmen des HAPs wurde eine umfangreiche Parameterstudie und Korrelationsanalyse an Modelformulierungen zu eisphoben Beschichtungen durchgeführt, um Daten zu den relevanten Parametern, den Einfluss der Formulierungsarbeit und die Signifikanz der verwendeten Testsysteme zu erhalten. Die dazu durchgeführte Testentwicklung und die Korrelationsuntersuchungen flossen in eine Vielzahl von Veröffentlichungen im Rahmen des HEATS Projektes ein. Darüber hinaus wurden die seitens KRD Coatings entwickelten Materialien und Systeme abschließend im Eislabor auf ihre Funktion positiv getestet. Schlussfolgerung/Anwendungsmöglichkeiten: Das Projekt HEATS wurde hinsichtlich der angestrebten technologischen Ziele durch die beteiligten Projektpartner erfolgreich abgeschlossen. Die finalen Material- und Systemtests haben die Eignung der Funktionsschichten für transparente Eisschutzsysteme nachweisen können, qualitative Nachweise zur Effizienz des Gesamtsystems konnten erbracht werden. Mit diesen Ergebnissen können im Folgenden auch auf andere Anwendungsgebiete (z.B. Automobil) angewendet werden. Der Zuwachs an Wissen und Erkenntnissen am Fraunhofer IFAM stärkt die Akquisetätigkeit zur Einwerbung neuer Industrieprojekte. Außerdem werden die Erkenntnisse zu relevanten Parametern und Korrelationen für eisphobe Beschichtungen in weiterführenden öffentlich geförderten Projekten und Eigenforschungen am Fraunhofer IFAM einfließen.