Sichere Bauteilüberwachung durch textile Sensorik

Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen, wie etwa Rotorblätter einer Windkraftanlage, werden oft überdimensioniert ausgelegt. So sollen fehlende Informationen zur Resttragfähigkeit während der Bauteilnutzung – zum Beispiel durch Alterung, Überbelastung oder Beanspruchungshistorie – kompensiert werden.

Etablierte 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 aber nur bedingt möglich.

Neue Lösungsansätze soll nun das Forschungsprojekt Tessy („Überwachung von CFK-Strukturen durch Einsatz textilbasierter und textiltechnisch integrierter Sensorsysteme“) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie liefern. Beteiligt sind 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.

Aufgabe: Die Entwicklung textilbasierter Sensorsysteme auf Basis kontaktierter Kohlenstofffasern. Die Forscher nutzen hierbei die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern, um den elektrischen Widerstand der Faser zu messen, der direkt von der Beanspruchung der Verstärkungsstruktur abhängt.

Die wesentliche Herausforderung 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 Tessy werden 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.

Im Vergleich zu herkömmlichen Strukturüberwachungssystemen können die neuartigen 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. So können wir frühzeitig potentielle Schadstellen erkennen und aufwändige Folgereparaturkosten vermeiden. Mit den textilbasierten Sensoren wird langfristig eine Überdimensionierung der CFK-Bauteile aus Sicherheitsgründen überflüssig. Das spart neben Ressourcen auch Energie und senkt die CO2-Emissionen bei der Produktion“, so Prof. Chokri Cherif, Direktor des ITM, über die Ziele des Projektes.

Mit der Umsetzung von zwei prototypischen Demonstratoren aus den Bereichen Medizintechnik und Automotive sollen das hohe Anwendungspotenzial derartiger Sensornetzwerke veranschaulicht und die Funktion der Sensoren mit umfassenden Analysemethoden validiert werden.

Tanja Kirsten ist an der Technischen Universität Dresden im Bereich der Öffentlichkeitsarbeit tätig.