Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Sensorisch funktionalisierte Verstärkungshalbzeuge zur In-situ-Registrierung von belastungs-bedingtem Risswachstum und Überlastungszuständen in Faserkunststoffverbunden

Ziel des Forschungsprojekts ist die KMU-gerechte Verfahrensentwicklung auf Basis des hochproduktiven Multiaxialkettenwirkens zur Auslegung und Herstellung von Verstärkungstextilien mit hohem sensorischen Funktionalisierungsgrad für FKV durch inline Integration von textilbasierten Belastungssensoren zur kontinuierlichen In-situ-Messung von Zug-, Druck- und Schubspannungen sowie zur Erarbeitung eines Diagnostik-Werkzeugs zur Identifikation des aktuellen Integritätszustandes und damit zur Bestimmung der (Rest-) Tragfähigkeit. Basierend auf den Kenntnissen zur Messung einzelner Belastungsgrößen wird zur Generierung einer hohen Drucksensitivität der Einsatz elektrisch leitfähiger dehn- und vorspannbarer Garne als zielführend angesehen und untersucht. Zur Erzielung der hohen Dehnbarkeit sind Stapelfasergarne auf Basis von Carbonfasern oder metallisierter Glasfasern zu entwickeln. Vergleichend ist das resultierende Eigenschaftsprofil hochdehnbarer artfremder metallisierter Endlosfilamentgarne, vorzugsweise auf Basis von Aramid und Polyester, zu erarbeiten und mit den Stapelfasergarnvarianten zu vergleichen. Die besondere Innovation besteht darin, dass mit der angestrebten Entwicklung der Integration der Comp-i-TenS im vorgespannten Zustand, der Arbeitsbereich in den für textile Sensoren messfähigen Zugbereich verschoben wird, so dass erstmalig auch Druckzustände unmittelbar messtechnisch erfasst werden können. Die Komplexität der strukturintegrierten Comp-i-TenS sowie deren Zusammenschaltung zu Netzwerken werden im Projekt sukzessive gesteigert, die technologisch reproduzierbare Verarbeitbarkeit anhand von drei Funktionsmustern und einem anwendungsnahen Funktionsdemonstrator, wie einer Blattfeder, einem Sportbogen oder einem Windrotorflügel, aufgezeigt und die Funktionalität umfassend evaluiert. Abschließend sind die FuE-Ergebnisse KMU-gerecht in Form von Verfahrensanweisungen zu komprimieren und mit wirtschaftlichen Analysen zu untersetzen.

Ergebniszusammenfassung:

Das Projektziel war die Entwicklung eines textilbasierten Sensorsystems für FKV zur Erfassung von strukturellen Deformationen durch einwirkende Zug-, Biege- und vor allem Druckbeanspruchungen und deren textiltechnische Integration im Multiaxialkettenwirken zur Herstellung sensorisch-funktionalisierter textiler Halbzeuge.

Hierfür wurde der Ansatz verfolgt, die Drucksensitivität von textilen Sensoren durch die gezielte Einstellung und Aufrechterhaltung einer Vorspannung bzw. -dehnung zu erhöhen. Die Anforderungen an die textilen Sensoren, bspw. Messbereich, Vorspannung und Position wurden in FEM-Simulationsmodellen am Funktionsdemonstrator ermittelt. Die Sensorgarne wurden durch die konstruktiv-technologische Weiterentwicklung einer bestehenden Multiaxialkettenwirkmaschine zu funktionalisierten Gelegen weiterverarbeitet. Grundlegend wurden vier geeignete Sensormaterialien in statischen, dynamischen und zyklischen Prüfserien auf Garn- und Verbundebene umfangreich untersucht und ein Sensorgarn als Vorzugslösung identifiziert. Es wurde gezeigt, dass die Aufbringung einer Vorspannung die Druckmessfähigkeit erhöht. Anhand eines interaktiven Funktionsdemonstratoren wurde das erarbeitete technisch/technologische Know-how zusammengeführt und anwendungsnah aufbereitet.

Somit ist die Voraussetzung geschaffen, bisher eingesetzte differenzielle Messmethoden (bspw. Dehnmessstreifen) zur Überwachung von u. a. druckbeanspruchten FKV-Bauteilen durch textiltechnisch integrierte Sensoren zu substituieren. Von faser- bzw. textilbasierten Leichtbaulösungen mit smarten Zusatzfunktionen können folgende Branchen profitieren: Automobil (Hochdrucktanks für alternative Brennstoffsysteme, E Mobilität), Energietechnik (Biogasanlagen, Rotorblätter von Windkraftanlagen), Medizintechnik (Orthesen, Prothesen), Freizeitsektor (Mountainbikes, Segelschiffe) und Bauwesen (Bauweise mit Carbonfaserbewehrung, textilverstärkte Hochwasserschutzmaßnahmen)