Sensor-Selbstdiagnose bei faserbasierten Bauteilen
Der faserbasierte Leichtbau erreicht mit sensorischen „Inside“-Netzen in Form von permanenter Strukturüberwachung aus dem Bauteil gerade sein erstes Aktivitätslevel. Forschungserfolge wie eine In-Situ Überwachung von Faserverbundkunststoff-Rotorblättern durch textiltechnologisch in Gelegestrukturen integrierte Sensornetzwerke treiben die Entwicklung beispielhaft auch für den Maschinen- und Anlagenbau und andere Bereiche voran. Ein entsprechender Demonstrator des ITM-Instituts für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden wird auf der Techtextil ausgestellt.
Der Leichtbau mit Aluminium, Magnesium, Titan oder Stahl wird nicht nur im Flugzeug- und Automobilbau durch solche Leichtleichtbaumaterialien wie Faserverbundkunststoffe (FKV) getoppt. Ist von Gewichtsreduktion im Bauwesen, im Schiffbau oder auch im Bereich Maschinen- und Anlagenbau die Rede, sind faserbasierte Werkstoffverbunde bzw. Textilmembranen oft nicht weit. Die in der Regel dünnen und hauptsächlich durch Zugkräfte beanspruchten Materialien können durch Werkstoffauswahl und Konstruktion so gestaltet werden, dass sie unterschiedlichste Funktionen erfüllen. Die Eigenschaftspalette reicht dabei von Abgrenzen, Umhüllen oder Trennen über Filtrieren, Lastaufnahme und -verteilung bis hin zum Schutz vor Wetter, Schall oder Hitze.
Mit Blick auf eine möglichst hohe Lebensdauer dieser oft komplex belasteten Bauteile, kommen jetzt integrierte Überwachungstechnologien in Form von integrierten Sensornetzen in Sicht. Sie sollen konventionelle Strukturüberwachungssysteme bzw. kostenintensive zerstörungsfreie Prüfverfahren ersetzen und nicht sichtbare Schäden wie Delamination, Matrixriss, Faserbruch oder Faser-Matrix-Enthaftung aus sich selbst heraus signalisieren. Am ITM wurde deshalb in ein FKV-Rotorblatt ein kostengünstiges und strukturkompatibles 2D-Sensornetzwerk integriert. Die Carbonfaser-Sensoren bilden Dehnungen sowohl auf Grund statischer als auch dynamischer Beanspruchungen genauestens ab. Der physikalische Effekt dahinter: Die piezoresitiven Fasern reagieren auf Veränderung des elektrischen Widerstands infolge Druck oder Zug.
Auf der Suche nach einer geeigneten Herstellungstechnologie wurde am ITM der Multiaxialkettenwirkprozess favorisiert und mit einer synchronen Kettfadenversatzeinrichtung komplettiert. Im Ergebnis können die Sensorfäden schädigungsfrei und verschiebefest an die Gelegestruktur angebunden werden. Von dem Verfahren, so die Autoren des DFG-Projekts, könnten rund 50 deutsche KMU mit Fokus auf der Herstellung von Multiaxialgelegen, Geweben, FKV-Halbzeugen und Bauteilen sowie textilen Membranen durch höhere Wertschöpfung profitieren. Durch die neuartigen textilen Halbzeuge mit integrierten Sensornetzwerken werde es möglich, „aufbauend auf der bereits vorhandenen Maschinentechnik eine neue und zukunftsorientierte Produktgruppe zu generieren‘‘, heißt es. Darüber hinaus ermöglichten die Forschungsergebnisse die Funktionalisierung zahlreicher Produkte des bestehenden Produktportfolios. Die ersten serienreifen sensorintegrierten Monitoringsysteme in FKV-Bauteilen und textilen Membranen stehen kurz vor der Marktreife.