Untersuchung einer Faserverbundplatte mit Piezosensoren.
TH Köln / Thilo Schmülgen
Gegenwärtig werden Leichtbau-Werkstücke aus Faserverbundkunststoffen (FVK) bei der Wartung häufig einer aufwendigen Ultraschallprüfung unterzogen, um Schäden festzustellen. Forschern der TH Köln gelang es nun, im Projekt Isafan eine verbesserte Schadenserkennung und -vorhersage für Faserverbundkunststoffe zu entwickeln. Dazu nutzen die Wissenschaftler ein Diodengitter, das in Verbundbauteile integriert werden kann. "Wir setzen die Leiterbahnen des Gitters reihenweise unter Strom. Liegt ein Schaden vor, sind die Leiterbahnen unterbrochen und das System registriert die Änderung der elektrischen Eigenschaften", erklärt Projektsprecher Jochen Blaurock.
Durch die neue Technik können Probleme im Moment ihres Entstehens erkannt und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden. Da die Leiterbahnen im Bereich von Millisekunden getaktet werden, wird das Bauteil permanent komplett überwacht. Dabei wird die Lokalisierung umso genauer, je enger die Maschen des Gitters angeordnet sind.
Bei Faserverbundwerkstoffen sind sowohl die Steifigkeit als auch die Festigkeit bei Zugbeanspruchung gegenüber dem reinen Matrixmaterial deutlich verbessert. Die Dichte steigt zwar in Abhängigkeit von der Faserart und dem Faseranteil an, liegt aber in jedem Fall deutlich unter der Dichte metallischer Werkstoffe. (Martin Bonnet in "Kunststofftechnik", Seite 92)
Die Technologie eignet sich nach Angaben der TH Köln für beliebig geformte Teile aus Faserverbundkunststoffen. Zurzeit sucht die Forschungsgruppe nach einem geeigneten Material für die Diodengitter. "Neben der Leitfähigkeit ist besonders wichtig, dass das Material eine ähnliche Bruchdehnung hat wie die Faserverbundkunstoffe, in die es eingebaut wird. Ziel ist, dass Faserverbundwerkstoff und Leiterbahnen ähnliche mechanische Eigenschaften aufweisen.
Damit die neue Technologie in der industriellen Serienfertigung verwendet werden kann, entwickelt das Team jetzt eine Methode, das Diodengitter effizient in die Bauteile zu integrieren. Blaurock: "Idealerweise wird das Drahtgitter auf eine Folie aufgebracht, die während des Fertigungsprozesses in das Bauteil implementiert wird. Dazu suchen wir noch Unterstützung durch einen Industriepartner."
Analyse der Restlebensdauer
Neben der Detektion von direkten Schäden beschäftigt sich die Forschungsgruppe auch mit der Prognose von Materialermüdung und Restbetriebszeit. Dabei wird das Bauteil mit einer Schallwelle angeregt und die Systemantwort, also die Reaktion des Bauteils, gemessen. Ändern sich die Eigenschaften des Bauteils, zum Beispiel durch Ermüdung oder einen Schaden, verändert sich auch die Systemantwort. Über statistische und physikalische Modelle können dann Prognosen zur Lebensdauer gemacht werden. Auf diese Weise könnten nach Ansicht der Forscher beispielsweise die Betreiber von Windkraftanlagen Probleme im Material der Flügel bereits in ihrer Entstehung erkennen und bei der Planung von Wartungsintervallen berücksichtigen.