Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Gewebebasierte Biegesensorik als Strukturbestandteil von Faserverbundbauteilen

Beschädigungen mit Delamination bei faserverstärkten Kunststoffen sind durch visuelle Prüfung oft nicht zu erkennen. Die Detektion solcher Fehlstellen erfordert aufwendige d.h. kostenintensive, zerstörungsfreie Prüfverfahren. Zielsetzung des Forschungsprojekts ist daher eine mehrlagengewebebasierte, ortsauflösende, kapazitive Biegesensorik als Teil der gewebten Verstärkungsstruktur zu entwickeln. Die Verstärkungsfasern bleiben dabei möglichst lastflussgerecht ausgerichtet, wodurch die sensorische Gewebestruktur keine negativen Einflüsse auf die mechanischen Bauteileigenschaften ausübt. Mit Hilfe der entwickelten Sensorsysteme können eine mögliche Überlast im Betrieb erkannt, eventuelle Beschädigungen vermieden bzw. detektiert und damit Wartungs-, Reparatur- und Stillstandkosten reduziert werden. Der Lösungsweg umfasst schwerpunktmäßig die Entwicklung von gewebebasierten sensorischen Funktionsmustern, der elektrischen Kontaktierung der textilen Sensorelektroden sowie einer kapazitiven Messelektronik. Versuchsproben werden hergestellt und ihre sensorische Eigenschaften sowie mechanischen Eigenschaften untersucht und beurteilt. Als Projektergebnis werden Demonstratorsysteme aufgebaut. Mithilfe der in diesem Vorhaben entwickelten Online-Bauteilüberwachung während des Betriebs durch eine strukturintegrierte Sensorik wird der durch die Begriffe „Industrie 4.0“ und „Cyber-physische Systeme“ getriebene Gedanke von vernetzten Maschinen und Bauteilen umgesetzt. Durch eine kontinuierliche Überwachung sicherheitsrelevanter Bauteile können vornehmlich KMU der Luft- und Raumfahrt- (z.B. faserverstärkte Turbinenschaufeln, Tragflächen), der Automobilindustrie, dem Maschinen- und Anlagenbau (z.B. Rotorblätter bei Windkraftanlagen) sowie dem Baugewerbe einen wirtschaftlicheren und sichereren Betrieb ihrer Maschinen garantieren. Die Hersteller für faserverstärkte Bauteile (KMU) nehmen durch die Funktionalisierung ihrer Produkte eine höherwertige Position in der Wertschöpfungskette ein

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsvorhaben wurden Wege aufgezeigt, wie innovative, textile Sensorlösungen auf Gewebebasis durch verbreitete Verarbeitungsprozesse (Weben) auf gebräuchlichen Maschinen hergestellt werden können und im Bereich Leichtbau zur kontinuierlichen Bauteilüberwachung und zum Structural Health Monitoring verwendet werden können. Dazu wurden folgende Ergebnisse erreicht:

• Ermittlung des optimalen Sensorprinzips

• Ermittlung der optimalen Sensorposition im Bauteilquerschnitt

• Ermittlung des optimalen Sensoraufbaus

• Ermittlung der optimalen Elektrodenbindung

• Methodische Bindungsentwicklung

• Ermittlung geeigneter Materialien

• Vollautomatisiert gewebtes Sensorsystem

• Charakterisierung der entwickelten textilen Sensorik

In diesem Projekt wurden dreischichtige Drucksensoren gewebetechnisch entwickelt, die mit spezifischer Auslegung Bestandteile von FVK-Gewebearchitekturen sind. Das Projekt umfasst damit die Entwicklung textiler Sensorsysteme, die den Aufbau einer biegesensorischen Faserverbundstruktur ermöglichen.

Die in diesem Projekt entwickelte textile Verstärkungsstruktur für Faser-Kunststoff-Verbunde, die in sich sensorisch wirkt, hat neben den elektromechanischen Vorzügen den Vorteil, dass die Sensorik nicht in einem zusätzlichen Arbeitsschritt eingebaut werden muss, was eine rationellere Fertigung zur Folge hat. Die Gewebehersteller nehmen durch die Funktionalisierung ihrer Produkte eine höherwertige Position in der Wertschöpfungskette ein.