Besondere Herausforderungen bei der Fertigung von Bauteilen entstehen beispielsweise im Wickelverfahren durch die Notwendigkeit einer schädigungsfreien Integration sensorischer Kohlenstofffasern.
Steffen Weigelt
Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen, wie etwa Rotorblätter einer Windkraftanlage, müssen permanent auf Alterung, Überbelastung oder Beanspruchung kontrolliert werden. Etablierte Verfahren zur Strukturüberwachung – zum Beispiel mithilfe von Dehnungsmessstreifen – haben allerdings nur eine begrenzte Aussagekraft. Abhilfe versprechen nun Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden.
Die Forscher entwickeln im Forschungsvorhaben "Tessy" textilbasierte Sensornetzwerke auf Basis kontaktierter Kohlenstofffasern, die in hochbelastbare Faser-Kunststoff-Verbunde werkstoffgerecht integriert werden. Die Forscher nutzen die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern, um den elektrischen Widerstand der Faser zu messen, der direkt von der Beanspruchung der Verstärkungsstruktur abhängt.
Allerdings bestünden bei dem Verfahren mit textilbasierten Sensornetzwerken noch Herausforderungen, erklären die Wissenschaftler. Neben einer intelligenten Kontaktierung und Anordnung der Sensor-Fasern sollen diese in der schädigungsfreien Integration der sensorischen Kohlenstofffasern in die textile Verstärkungsstruktur liegen. Die bei der Infiltration mit einer Kunststoffmatrix auftretenden Faserverschiebungen oder Poren könnten sowohl die Funktion der Sensoren als auch die Tragfähigkeit des Bauteils einschränken. Im Projekt Tessy wollen die Wissenschaftler daher das Sensorlayout mit klassischen Infiltrationsverfahren hinsichtlich ihres Einflusses auf die Tränkung textiler Halbzeuge analysieren und bewerten. Darüber hinaus sollen werkstoffmechanische Tests zur Bauteilperformance Aufschluss über mögliche Schädigungen der Verstärkungsstrukturen durch die Integration der Sensorfilamente und ihrer elektrischen Kontaktierung geben.
Überdimensionierung wird überflüssig
Im Vergleich zu herkömmlichen Strukturüberwachungssystemen ließen sich mit den neuartigen Sensorsystemen sowohl lokale und globale als auch statische und dynamische Beanspruchungszustände und Strukturveränderungen über die gesamte Bauteillebensdauer erfassen. Mithilfe im Projekt zu entwickelnder simulationsgestützter Analyseverfahren sollen sich unmittelbar Aussagen zur Resttragfähigkeit des Bauteils ableiten lassen. Durch die werkstoffgerechte Integration werde laut den Forschern eine hohe Langzeitstabilität der Sensoren über die Lebensdauer der Bauteilstrukturen erreicht.
"Die neuartigen Sensoren erlauben die präzise Lokalisierung aller strukturkritischen Veränderungen. So können wir frühzeitig potenzielle Schadstellen erkennen und aufwendige Folgereparaturkosten vermeiden. Mit den textilbasierten Sensoren wird langfristig eine Überdimensionierung der CFK-Bauteile aus Sicherheitsgründen überflüssig. Das spart neben Ressourcen auch Energie und senkt die CO2-Emissionen bei der Produktion", so Professor Dr.-Ing. habil. Chokri Cherif, Direktor des Instituts für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden, über die Ziele des Projektes.
Die Wissenschaftler planen, zwei prototypischen Demonstratoren aus den Bereichen Medizintechnik und Automotive umzusetzen. Sie sollen das hohe Anwendungspotenzial derartiger Sensornetzwerke veranschaulichen und die Funktion der Sensoren mit umfassenden Analysemethoden validieren.
Forschungsprojekt Tessy
Im Forschungsprojekt Tessy des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie soll die Überwachung von CFK-Strukturen durch Einsatz textilbasierter und textiltechnisch integrierter Sensorsysteme analysiert werden. Im Projekt arbeiten Wissenschaftler des Instituts für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM), des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) und des Instituts für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (IAVT) der TU Dresden zusammen.