Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zerstörungsfreie Zustandsüberwachung von elastischen und strukturellen Klebungen unter Zug- und Scherbeanspruchung durch Integration einer optischen Polymerfaser (POF)

Nach dem aktuellen Stand der Technik sind Klebverbindungen nicht vollständig zerstörungsfrei prüfbar. Daraus folgt die Motivation, Klebungen permanent zu überwachen, um deren strukturellen Zustand zu erfassen und – damit einhergehend – eine sichere Kraftübertragung zu gewährleisten.

Das Projekt KlebPOF hat daher das übergeordnete Forschungsziel, Zug- und Scherbeanspruchungen in der Klebschicht zerstörungsfrei durch Integration eines Kunststoff-Lichtwellenleiters (Polymer Optical Fiber – POF) zu messen. Die mechanischen Eigenschaften der POF kann, im Gegensatz zu Glasfasern oder metallisch-elektronischen Sensoren durch die Auswahl eines geeigneten POF Materials auf die Mechanik der Klebschicht eingestellt werden. Daraus folgt eine durch die Verformung der Klebschicht induzierte simultane Deformation der Faserquerschnittsform. Dies hat eine Änderung der optischen Materialeigenschaften und eine Veränderung der Lichtausbreitung in der POF zur Folge. Dies kann mittels kostengünstigen optoelektronischen Komponenten detektiert werden. Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt dabei auf einer integralen Zustandsüberwachung der gesamten Klebung ohne Ortsauflösung zugunsten eines kostenökonomischen Sensors für den Feldeinsatz. Nach geeigneter Wahl und Optimierung des Klebverbundes (Klebstoff + POF) wird das mechanische und optische Verhalten des Verbundes auf Couponebene, zyklisch unter verschiedenen Beanspruchungen, experimentell und mittels numerischer Simulation charakterisiert und das KlebPOF-Sensorkonzept wird optimiert. Zum Ende werden die erforschten Erkenntnisse auf einen Demonstrator transferiert und validiert. Durch das KlebPOF-Sensorkonzept können neue Anwendungsfelder branchenübergreifend erschlossen werden, z.B. in der Bau-, Windenergieanlagen-, Nutzfahrzeugindustrie sowie im klassischen Maschinenbau. Durch die Projektergebnisse profitieren insbesondere KMU, welche Entwickler, Installateur, Ingenieurdienstleister oder Endanwender des KlebPOF-Sensorkonzepts sind.

Ergebniszusammenfassung:

Klebverbindungen stellen im Allgemeinen eine sehr effiziente Verbindungstechnik dar. Ihr großflächiger Einsatz wird allerdings vom eingeschränkten Vertrauen und stark konservativen Auslegungsphilosophien gehemmt. Im Projekt KlebPOF wurde grundlegend und wissenschaftlich untersucht, ob und insbesondere, warum polymere optische Fasern (POF) für die Zustandsüberwachung einer Klebverbindung geeignet ist. Kurzfristig können mit dem KlebPOF-Konzept Klebverbindungen überwacht werden, um die sichere Kraftübertragung zu gewährleisten. Dies ist insbesondere für alle sicherheitsrelevanten Klebungen unabhängig vom Wirtschaftszweig von großer Bedeutung. Die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse für die industrielle Anwendung wurde im Forschungsprojekt durch die Entwicklung und erfolgreiche Umsetzung auf ein Funktionsmuster anschaulich gezeigt. Kurz- bis mittelfristig können mit dem KlebPOF-Konzept viele wertvolle Langzeitdaten über den Beanspruchungszustand (Art und Ausmaß) der Klebungen während ihrer Einsatzzeit gesammelt werden. Langfristig kann mit dem KlebPOF-Konzept, über der Zustandsüberwachung von Klebungen hinaus ein innovatives Sensorkonzept entwickelt werden, das für beteiligte KMU weitere Anwendungsmöglichkeiten für SHM bietet. KMU im Bereich der Faseroptik und Opto-Elektronik erschließt dies neue Märkte für innovative faseroptische Sensorlösungen aus Entwicklung, Vertreib und Service dieser Systeme. Allgemein können mit dieser Entwicklung neue Anwendungsfelder branchenübergreifend erschlossen werden, z.B. in der Bau-, Windenergieanlagen-, Luft- und Raumfahrt-, Schienen- und Nutzfahrzeugindustrie sowie im klassischen Maschinen- und Anlagenbau. Die Forschungsergebnisse helfen einer Vielzahl von KMU, die im Bereich der Simulation und Auslegung tätig sind, ihr eigenes Portfolio zu ergänzen oder sogar, um komplett neue Geschäftsfelder zu erschließen.