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Faserverbundwerkstoff Composites mit strukturintegrierter Sensorik

| Autor/ Redakteur: Prof. Dr. Christian Dreyer; Dr. Olaf Kahle, Dr. Michael Wegener* / Dorothee Quitter

Um Faserverbundstrukturen kontinuierlich auf Schäden prüfen zu können, wird am Fraunhofer IAP die Integration von Sensoren direkt in das Bauteil untersucht.

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Ein Compositmaterial mit eingebetteten polymeren piezoelektrischen Sensoren wäre z.B. für Druckbehälter bestens geeignet.
Ein Compositmaterial mit eingebetteten polymeren piezoelektrischen Sensoren wäre z.B. für Druckbehälter bestens geeignet.
(Bild: Fraunhofer IAP)

Faserverstärkte Compositmaterialien, insbesondere auf Basis von Kohlefasern (CFK), sind auf Grund ihres Lagenaufbaues anfällig für Prozesse, bei denen es zu Schäden in der Verbindung von einzelnen Lagen (wie Delamination, Risse im Harz, Faserbruch) kommen kann. Dies ist insbesondere bei Anwendungen der Fall, bei denen die Bauteile Impactevents (z.B. Hagel, Vogelschlag in der Luftfahrt bzw. Windenergie), großen statischen Lasten (z.B. Rotorblätter) oder Erschütterungen (z.B. bei Druckgasbehältern) ausgesetzt sind. Schäden durch Schlagereignisse mit kleinen bzw. mittleren Energien sind bei einer routinemäßigen visuellen Inspektion nur sehr schwer zu detektieren. Sie werden in der Luftfahrt deshalb „Barely Visible Impact Damage“ (BVID) genannt. Die strukturellen Eigenschaften des Bauteils sind hierbei möglicherweise stark herabgesetzt. In vielen Branchen sind deshalb routinemäßige Überprüfungen der Integrität der Bauteile mittels zerstörungsfreier Prüfung (Non-Destructive Testing, NDT) üblich, die allerdings zeit- und kostenaufwändig sind und ein Abschalten der Anlage bedingen. Zudem werden die Bauteile recht großzügig ausgelegt, um einem Ausfall zwischen den Prüfungen zu verhindern; letzteres schränkt das Leichtbaupotenzial von CFK wiederum ein. In den letzten Jahren mehren sich die Bestrebungen, den Zustand dieser Bauteile periodisch oder sogar kontinuierlich automatisiert zu überwachen. Dieses Structural Health Monitoring (SHM) erlaubt sogar das Detektieren von Events in Echtzeit.

Kontinuierliche Bauteilüberwachung

Eine weit verbreitete Methode für NDT ist die Untersuchung mittels Ultraschall (US). Langjährig etablierte Verfahren nutzen das Einbringen des Schalls senkrecht zur Bauteilebene mittels aufgebrachter Aktoren/Schallgeber. An Grenzflächen wie auch Fehlstellen kommt es zu Reflexionen des Schallimpulses, die über das Sensorsignal detektiert werden können. Eine Ortsauflösung erfolgt über das (manuellen oder automatisierten) Abrastern der Oberfläche. In den letzten Jahren werden allerdings zur US-Prüfung auch zunehmend sogenannte Guided waves/Lambwellen eingesetzt, bei denen sich die Schallwellen flächig in der Struktur ausbreiten. Schäden verursachen dann Änderungen in der Ausbreitungscharakteristik, wobei durch den Einsatz eines geeigneten Netzes an Aktoren und Sensoren der Ort, die Größe und ggf. auch die Art des Schadens bestimmt werden können (Acoustic Ultrasonics, AU). Auch direkte Detektion und Auswertung von Schallereignissen durch einen Impact sind möglich (Acoustic Emission, AE). Beide Techniken sind auch für SHM geeignet, sie setzen aber voraus, dass die Sensoren fest mit dem Bauteil verbunden sind. Meist werden die Sensoren nachträglich auf das Bauteil aufgebracht (secondary bonded), aber auch das Befestigen während des Herstellungsprozesses des Bauteils wird durchgeführt (co-bonded). Hierfür werden zumeist piezoelektrische Sensoren auf Basis von PZT eingesetzt, die relativ flexibel sind, aber immer noch eine Dicke von mehreren 100 µm aufweisen.

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Eingebettete Sensoren

In einem Forschungsprojekt am Fraunhofer IAP wurde nun das Potenzial von sehr dünnen polymeren piezoelektrischen Sensoren auf PVDF-Basis, die direkt in das Composit zwischen zwei Lagen eingebettet wurden, untersucht. Eine derartige Anordnung bietet Vorteile bei der gezielten Anregung der Ultraschallwellen und beim Schutz der Wandler gegen mechanische Beschädigungen und wäre z.B. für Composite-Druckbehälter bestens geeignet. Eine gezielte Strukturierung der Wandlergeometrie und der Elektroden ermöglicht zudem eine modenselektive Anregung und Detektion der Ultraschallwellen.

Die Arbeiten zeigten, dass die Steifigkeit des Verbundes durch die Einbettung praktisch nicht beeinflusst wurde. Eine Reduzierung der Festigkeit des Lagenverbundes konnte durch Haftvermittlerschichten zwischen Elektrode und piezoelektrischem Material minimiert werden. Die Einbettung der Wandler ist kompatibel mit konventionellen Techniken zur Herstellung von Compositen solange die Schmelztemperatur des piezoelektrischen Materials (ca. 150°C) dabei nicht überschritten wird. Eine angepasste Polarisierungsprozedur ermöglicht dabei die Funktionalisierung der Sensoren auch nach der Einbettung. Mit einem Array an eingebetteten Wandlern konnten Laufzeitunterschiede eines Impactes zwischen den einzelnen Sensoren detektiert werden, so dass die Voraussetzung für eine Positionsbestimmung gegeben ist. (qui)

* Prof. Dr. Christian Dreyer, Forschungsbereichsleiter PYCO am Fraunhofer IAP und Professur für Faserverbund-Materialtechnologien an der Technischen Hochschule Wildau

* Dr. Olaf Kahle, Fraunhofer IAP

* Dr. Michael Wegener, Abteilungsleiter Sensoren und Aktoren am Fraunhofer IAP

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