Ziel der Entwicklung
Die Erfassung von inneren Defekten in Faserverbundbauteilen stellt eine besondere Herausforderung dar, da anfängliche Schädigungen abrupt zu einem kollateralen Globalversagen führen können und nicht, wie bei metallischen Strukturen in einer plastischen Dehnung münden.
Falsch dimensionierte Strukturen können dann eine erhebliche Gefahr für den Anwender und seine Umwelt darstellen. Daher werden entweder regelmäßige, kostenintensive Wartungsintervalle erforderlich oder bereits im Auslegungsprozess der Compositebauteile unverhältnismäßig hohe Sicherheitsfaktoren beaufschlagt, die wiederrum dem eigentlichen Leichtbaugedanken wiedersprechen. Zielführender scheint an dieser Stelle die permanente Überwachung solcher Strukturen, um bereits mikroskopisch kleine Schädigungen detektieren zu können und entsprechende Schritte gegen einen weiteren Versagensfortschritt einzuleiten. Mit Hilfe von faseroptischen Sensoren ist eine solche Strukturüberwachung bereits heute im Laborumfeld technisch möglich. Zur Anwendung im Bereich von Serienbauteilen fehlen zum jetzigen Zeitpunkt hingegen wiederholgenaue und automatisierte Technologien, um flächendeckend die Anwendung von strukturüberwachten Compositebauteilen zu ermöglichen.
Das Ziel des vorliegenden Vorhabens bestand in der automatisierten und reproduzierbaren Integration von Sensormesstechnik (Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, kurz: FBG-Sensoren) während der Herstellung von Faserverbundbauteilen im Faserwickelverfahren. Dabei sollte der Sensor – bei dem es sich um einen klassischen Lichtwellenleiter (kurz: LWL, Glasfaser) mit eingeschriebenem Faser-Bragg-Gitter handelt – analog zum eigentlichen Faserroving vollkommen automatisiert durch die Maschine abgelegt werden. Durch diese Herangehensweise sollte eine exakte Positionierung des Faser-Bragg-Gitters im späteren Bauteil sichergestellt und ein serientauglicher Prozess zur Integration von Structural-Health-Monitoring-(SHM-) Systemen in rotationssymmetrischen Compositebauteilen geschaffen werden. Die Integration des Sensorsystems in unterschiedlichen Faserlagen bringt neben dem Schutz des Sensorsystems vor äußeren Einflüssen auch den Vorteil mit sich, dass die inneren Vorgänge in der Struktur genauestens erfasst werden können.
Vorteile und Lösungen
Als Ergebnis des Projektes entstanden mehrere Demonstratoren mit erfolgreich integrierter Messsensorik auf Basis von Faser-Bragg-Gittersensoren (FBG). Die Integration der Sensorfaser erfolgte dabei weitgehend automatisiert mit Hilfe eines speziell entwickelten Zusatzmoduls an der CNC-gesteuerten Wickelanlage und konnte im Rahmen der technologischen Versuchsreihen reproduziert werden. Mit dem im Projekt verfolgten Integrationsansatz wurde die Ausbildung eines Harzauges sowie eine mechanische Beeinflussung der tragenden Laminatstruktur gänzlich vermieden. Die Integration eignet sich dabei vornehmlich für zugbeanspruchte Laminatstrukturen wie Druckbehälter, Hydraulikzylinder oder Antriebswellen. Die Stecker der Sensorik können dabei wahlweise im Laminat integriert oder aus Selbigem herausgeführt werden. Im Rahmen von umfangreichen Messreihen konnte die Vergleichbarkeit von, mittels FBG- und DMS-Sensoren gemessenen Dehnungen gezeigt werden. Darüber hinaus ermöglichen die Sensoren auch die Erfassung der Prozesse während der Fertigung sowie der Aushärtung der Laminate (Faserstauchung, chemische Schwindung, Exothermie, etc.). Die Möglichkeit zur permanenten Überwachung von Faserverbundstrukturen hat eine große Bedeutung für die weitere Verbreitung dieser Materialien. Insbesondere im Bereich von innendruckbelasteten Strukturen werden zum Teil deutlich überhöhte Sicherheitsfaktoren eingesetzt. Hier können die Projektergebnisse dazu beitragen, diese Faktoren zu reduzieren. Durch die permanente Überwachung des Belastungszustandes kann bei kritischen Lastzuständen sofort reagiert werden kann und nicht mehr nur, wie im Stand der Technik üblich, gelegentliche Wartungsintervalle durchgeführt werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Zielmärkte für die Ergebnisse des abgeschlossenen Forschungsprojektes sind breit gefächert und umfassen alle Branchen in denen permanent überwachte, rotationssymmetrische Strukturen eingesetzt werden. Vorrangig wäre hier neben dem Maschinenbau, auch maritime Anwendungen, der Automotive-Sektor, Luftfahrt, Bauwesen und die Chemieindustrie als potentieller Interessentenkreis zu nennen. Für die Verwertung der Projektergebnisse kommen dabei generell alle Unternehmen, die sich insbesondere mit der Fertigung von sicherheitsrelevanten, rotationssymmetrischen Bauteilen aus Faserverbundmaterialien beschäftigen bzw. die Firmen die solche Strukturen einsetzten, in Frage. Da die permanente Strukturüberwachung von Faserverbundbauteilen noch nicht flächendeckend den industriellen Einsatz gefunden hat und sich derzeitig ausschließlich auf Laboranwendungen beschränkt, ist die Wettbewerbssituation als sehr schwach anzusehen. Aus den gegebenen Gründen sind potentielle Wettbewerber die Firmen, die andere Messprinzipien mit ihren jeweiligen Restriktionen (keine Integrierbarkeit, begrenzte Anzahl an Messpunkten, mangelnde Reproduzierbarkeit etc.) anbieten. Hier kann die entwickelte Technologie einen erheblichen Wettbewerbsvorteil hinsichtlich der wiederholgenauen und automatisierten Sensorablage leisten. Lediglich einige wissenschaftliche Institute beschäftigten sich bisher mit der Ablage und Fixierung von Funktionsfasern in rotationssymmetrischen Strukturen, jedoch nicht anhand eines automatisierten Prozesses. Darüber hinaus sind keine Sensorsysteme bekannt, mit denen die Flexibilität der FBG-Sensorik hinsichtlich Integrationsmöglichkeit auch nur ansatzweise erreicht werden kann. Im Bereich von Bahnanwendungen wurden bereits mehrere Komponenten, zum Beispiel Torsionsfedern, Drucklufttanks für Bremsanlagen, mit dem hier entwickelten Ansatz gefertigt und können permanent oder intervallmäßig überwacht werden.
