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16.02.2017

Überdimensionierung muss nicht (mehr) sein

CFK-Bauteile mithilfe textilbasierter Sensoren sicher überwachen

Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden entwickeln textilbasierte Sensornetzwerke, die in hochbelastbare Faser-Kunststoff-Verbunde werkstoffgerecht integriert werden. Sie sollen globale und lokale Beanspruchungszustände und Strukturveränderungen erfassen und die Überdimensionierung von CFK-Bauteilen überflüssig machen.

Besondere Herausforderungen bei der Fertigung von Bauteilen entstehen beispielsweise im Wickelverfahren durch die Notwendigkeit einer schädigungsfreien Integration sensorischer Kohlenstofffasern (© Rolls-Royce Deutschland/S. Weigelt)

Besondere Herausforderungen bei der Fertigung von Bauteilen entstehen beispielsweise im Wickelverfahren durch die Notwendigkeit einer schädigungsfreien Integration sensorischer Kohlenstofffasern (© Rolls-Royce Deutschland/S. Weigelt)

Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen, wie etwa die Rotorblätter von Windkraftanlagen, werden oft überdimensioniert ausgelegt. So sollen fehlende Informationen zur Resttragfähigkeit während der Bauteilnutzung, zum Beispiel durch Alterung, Überbelastung oder Beanspruchungshistorie, kompensiert werden. Herkömmliche Verfahren zur Strukturüberwachung haben allerdings nur eine begrenzte Aussagekraft.

Dehnungsmessstreifen beispielsweise sind aufgrund ihrer inhärenten Nachteile, wie dem Versagen des Klebstoffes durch Umwelteinflüsse und einer hohen Temperaturempfindlichkeit, für langzeitzuverlässige Messungen ungeeignet. Eine faserverbundgerechte Integration in hochbelastbare Bauteile ist bislang allerdings nur bedingt möglich.

Projekt Tessy: Vorhersagbarer, sicherer Leichtbau

Im Forschungsprojekt Tessy – Überwachung von CFK-Strukturen durch Einsatz textilbasierter und textiltechnisch integrierter Sensorsysteme – des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie 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 an textilbasierten Sensorsystemen auf Basis kontaktierter Kohlenstofffasern. Die Forscher nutzen die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern, um den elektrischen Widerstand der Faser zu messen, der direkt von der Beanspruchung der Verstärkungsstruktur abhängt.

Die Herausforderung für die Wissenschaftler besteht, neben einer intelligenten Kontaktierung und Anordnung der Sensor-Fasern, in der schädigungsfreien Integration der sensorischen Kohlenstofffasern in die textile Verstärkungsstruktur. Die bei der Infiltration mit einer Kunststoffmatrix auftretenden Faserverschiebungen oder Poren können sowohl die Funktion der Sensoren als auch die Tragfähigkeit des Bauteils einschränken.

Im Projekt 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 können die neuen Sensorsysteme sowohl lokale und globale als auch statische und dynamische Beanspruchungszustände und Strukturveränderungen über die gesamte Bauteillebensdauer erfassen. Mit Hilfe im Projekt zu entwickelnder simulationsgestützter Analyseverfahren lassen sich unmittelbar Aussagen zur Resttragfähigkeit des Bauteils ableiten.

Durch die werkstoffgerechte Integration wird eine hohe Langzeitstabilität der Sensoren über die Lebensdauer der Bauteilstrukturen erreicht. „Die neuartigen Sensoren erlauben die präzise Lokalisierung aller strukturkritischen Veränderungen“, sagt Prof. Dr. Chokri Cherif, Direktor des ITM. Potenzielle Schadstellen könnten so frühzeitig und aufwendige Folgereparaturkosten vermieden werden.

Langfristig machen die textilbasierten Sensoren die Überdimensionierung der CFK-Bauteile aus Sicherheitsgründen überflüssig. „Das spart neben Ressourcen auch Energie und senkt die CO2-Emissionen bei der Produktion.“ (me)

Weiterführende Information
  • Die vernetzte Karosserie
    Kunststoffe 03/2016, Seite 46 - 49

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Unternehmensinformation

TU Dresden - Institut für Leichtbau u. Kunststofftechnik

Holbeinstr. 3
DE 01307 Dresden
Tel.: 0351 463-38142
Fax: 0351 463-38143

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