Sensoren in textilverstärkten Verbundbauteilen

27.09.2013 - Deutschland

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden hat gezeigt, dass es bei der Herstellung textilverstärkter Verbundbauteile möglich ist, Sensornetzwerke und elektronische Schaltungen in die Struktur des Verbundwerkstoffs zu integrieren, ohne die Materialeigenschaften zu beeinträchtigen oder die Sensoren zu zerstören. Die integrierten Sensoren sind weitaus weniger störanfällig als externe Sensorsysteme und machen es zum Beispiel möglich, die Funktionstüchtigkeit der Verbundbauteile zu überwachen, Schäden in der Verbundstruktur zu erkennen oder die Wirkung von Stößen und Schlägen auf Leitungen für den Transport gefährlicher Güter zu erfassen.

Als High-Tech-Werkstoff für die Luft- und Raumfahrt bekannt geworden gewinnen Faserverbundwerkstoffe auch im Fahrzeug-, Anlagen-, Maschinen- und Rohrleitungsbau immer größere Bedeutung, vor allem im Hinblick auf ihre Leichtbaueigenschaften, Gestaltungsmöglichkeiten sowie ihre ökologischen Vorteile. Um eine reibungslose Funktion der Bauteile sicherzustellen, ist es bei einer Reihe von Anwendungen sinnvoll, physikalische Größen wie zum Beispiel Temperatur, Druck oder Dehnung an verschiedenen Stellen in einem Verbundbauteil zu messen, aufzuzeichnen und auszuwerten. So können zum Beispiel undichte Stellen in einer Rohrleitung frühzeitig erkannt oder Beschädigungen bei Karosserieteilen aufgedeckt werden. Wie Wissenschaftler des Fraunhofer IPMS gemeinsam mit dem Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) und dem Institut für Halbleiter und Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Dresden im Rahmen des DFG Sonderforschungsbereichs 639 in einem Gemeinschaftsprojekt gezeigt haben, bieten textilverstärkte Verbundwerkstoffe im Gegensatz zu Metalllegierungen das Potenzial, die für diese Messungen notwendigen Sensoren während der Herstellung in die Struktur des Verbundwerkstoffes zu integrieren. Die Sensoren sind so nicht nur vor mechanischen Einwirkungen geschützt. Es ist auch eine flächendeckende Überwachung der Bauteile möglich.

»Die Herausforderungen einer erfolgreichen Integration sind allerdings hoch«, betont Dr. Andreas Heinig, Projektleiter am Fraunhofer IPMS. »Um die Struktur des Verbundwerkstoffes nicht zu beeinträchtigen, mussten wir die elektronischen Komponenten extrem miniaturisieren. Sie mussten zwischen mehrere Matten aus Hybridgarn, das verstärkende Glasfasern und thermoplastische Polypropylenfasern enthält, passen. Da diese gewebten oder gestrickten Flächenelemente bei einer Temperatur von 200 °C und einem Druck von fünf bis zehn Bar konsolidiert werden, haben wir außerdem besonders hitze- und druckbeständige Sensoren eingesetzt.«

Das integrierte Sensornetzwerk besteht aus mehreren Sensorknoten, die durch eine vernetzte Bus-Struktur verbunden sind. Die Ankopplung eines Sensors an das Bussystem erfolgt mit einem Sensor-ASIC, der analoge Schnittstellen für verschiedene Sensortypen zur Messung physikalischer Parameter bereitstellt. Außerdem verfügt er über einen frei programmierbaren Mikrokontroller sowie RAM und EEPROM für die Datenspeicherung und -auswertung. Zusätzlich zu den vernetzten Sensoren kann das Netzwerk einen passiven Transponder enthalten, mit dem die gespeicherten Messwerte drahtlos von einem Standard-RFID-Reader bei einer Reichweite von 30 cm ausgelesen werden können. Dazu hat das Team von Andreas Heinig den frei programmierbaren Transponderschaltkreis IPMS_RFE125 entwickelt. Der Transponder arbeitet mit einer Trägerfrequenz von 125 kHz und unterstützt die Datenübertragung entsprechend ISO-Standard 18 000 2. Für raue Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen haben die Wissenschaftler alternativ auch schon optische Datenübertragungstechniken (IrDA) erfolgreich in Verbundbauteile integriert. Darüber hinaus wurde die Technologie der Integration in Verbundwerkstoffe auch für Schaltungen und kommerziell verfügbare Bauelemente entwickelt und erfolgreich getestet.

Ein besonderes Augenmerk der Entwickler liegt in der Fehlertoleranz des Netzwerks als Gesamtsystem. Deshalb sind neben umfangreichen schaltungstechnischen und Netzwerk-organisatorischen Entwicklungen die einzelnen Knotenfunktionen – Sensoren, Energieversorgung, Datenleitung, Datenübertragung – innerhalb des Netzwerkes redundant ausgelegt. So ist sichergestellt, dass das Netzwerk als Gesamtsystem funktionsfähig bleibt, selbst wenn einzelne Knoten zum Beispiel durch Beschädigungen des Verbundbauteils ausfallen.

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