Strategien zur Lebensdauerverlängerung von komplexen Composite Bauteilen durch integrierte Sensorik zur Strukturüberwachung

Die Zustandsüberwachung von Leichtbaukomponenten ist entscheidend für die Sicherheit, Lebensdauer, Effizienz und Kostenoptimierung der Strukturen. Das Einsetzen von Sensoren birgt jedoch die Gefahr, dass die Bauteile durch den Eingriff geschwächt werden können. Im Projekt LeCoBaSe sollen Konzepte zur Verbesserung der Sensoreinbringung entwickelt werden.

Technischer Bedarf:

  • Längere Lebensdauer der Faserverbund-Bauteile
  • Weniger Sicherheitsfaktoren, resultierend in leichtere Bauteile
  • Sensorik auf dem Bauteil ist ungeschützt, hält schlecht und erfasst nicht das Innere
  • Sensoren zwischen den Composite-Lagen fungieren als Sollbruchstellen (Delamination)

 

Wissenschaftlich-technische Lösung

  • Neue Konzepte zur Sensoreinbringung (Neue Sensorgeometrien wie strukturierte Gitter)
  • Hochmolekulare, in Zylindergeometrie phasenseparierende Blockcopolymere als resistive Sensoren
  • Reduzierung der Delaminationsgefahr durch verbesserte Anbindung
  • Reduzierung der Delaminationsgefahr mittels Gitterstruktur (Vermeidung von Sollbruchstellen)
  • Reduzierung der Delaminationsgefahr aufgrund alternativer Materialien mit verbesserter Haftung
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  • Funktionsintegration von Sensoren direkt in (tragende) Leichtbaustrukturen ist ein wichtiger Entwicklungsschwerpunkt zur Zustands- und Lebensdauerüberwachung von hochbelasteten Leichtbaukomponenten. Durch eine kontinuierliche Überwachung können die Sicherheitsfaktoren für Komponenten auf Basis von Faserverbundwerkstoffen reduziert und somit das Bauteilgewicht verringert werden, zudem können die Einsatzdauern aufgrund des kontinuierlichen Monitorings deutlich erhöht werden. Gerade in CO2-intensiven Bereichen wie der Luftfahrt kann so eine deutliche Reduktion des CO2-Ausstoßes, sowohl durch geringeren Kerosinverbrauch, als auch durch die erhöhte Nutzungszeit der Bauteile deutlich reduziert werden. Der Einsatz von Sensorik in (tragenden) Faserverbundkunststoffbauteilen gestaltet sich derzeit schwierig, da das Einbringen direkt in die Struktur das Bauteil schwächen kann; insbesondere großflächige Sensoren auf Fluorpolymerbasis wie z.B. PVDF können zwischen den Compositlagen als ungewünschte Sollbruchstellen fungieren und zur Delamination und somit zum Bauteilversagen führen.

    Im Vorhaben sollen Konzepte zur Verbesserung der Sensoreinbringung entwickelt werden. Hierbei sollen zwei ineinander übergreifende Strategien zum Tragen kommen: Es sollen neue Sensorgeometrien für piezoelektrische Sensoren wie z. B. Gitterstrukturen entwickelt werden. Da diese Strukturen keine durchgehende Fläche bilden, bleibt die Verbindung der einzelnen Compositlagen erhalten und die Delaminationsgefahr wird reduziert. Als zweite Strategie werden vom PAZ entwickelte hochmolekulare, in Zylindergeometrie phasenseparierende Blockcopolymere auf Basis von Polystyrol/Polyvinylpyridin als resistive Sensoren zur Druckdetektion evaluiert, wobei die neuen Sensorgeometrien hier angewendet werden sollen.

  • Förderung

    Dieses Projekt wird im Rahmen der Internen Programme der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert.