Integration von Sensoren in Faserverbundbauteile

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1 Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Integration von Sensoren in Faserverbundbauteile Lena Müller, Dr.-Ing. Simon Küppers, Hans Christof, Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser ITV Denkendorf 1

2 Europas größte Textilforschungseinrichtung Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) Institut für Textilchemie und Chemiefasern 2 Institut für Textil- und Verfahrenstechnik 3 Zentrum für Management Research 4 ITV Denkendorf Produktservice GmbH ITV Denkendorf 2

3 Kompetenz in Textilforschung Forschung vom Molekül bis zum Produkt entlang der gesamten textilen Produktionskette Anwendungsorientierte Forschung mit industriellen Pilotanlagen Fokus auf Technische Textilien und Life Science Technologietransferzentrum und Herstellung von Vorprodukten für die Industrie Wissenstransfer in der gesamten textilen Wertschöpfungskette: Wissen produktiv machen Faser und Garn Fläche Funktionalisierung Produkt ITV Denkendorf 3

4 Kenndaten Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) Gegründet 1921 Stiftung des öffentlichen Rechts ca. 310 Mitarbeiter (50% Wissenschaftler) Umsatz 29,5 Mio. Euro (2012) 75% anwendungsorientierte Forschung mit der Industrie, 25% Produktion über 450 Patente seit 1960, davon 70 laufende QM-Systeme nach DIN EN ISO (DAkkS) und DIN EN ISO ITV Denkendorf 4

5 Inhalt Leichtbau durch Faserverbund Sensorik Sensorintegration mittels Pultrusion Sensorintegration mittels Vakuuminfusion Ergebnisse Ausblick ITV Denkendorf 5

6 Leichtbau durch Faserverbund Lastpfad gerechte Auslegung Komplexe Strukturen ITV Denkendorf 6

7 Leichtbau durch Faserverbund Straßenbrücke Friedberg (Hessen) fuehrung-friedberg Verbundkonstruktion aus Stahlträgern und einer aufgeklebten Fahrbahnplatte aus glasfaserverstärktem Kunststoff Länge: 20 m Vormontage in Industriehalle ITV Denkendorf 7

8 Leichtbau durch Faserverbund Straßenbrücke Friedberg (Hessen) Überwachung notwendig: 113 Elektronische Dehnmessstreifen (DMS) 12 faseroptische Sensoren fuehrung-friedberg Schwierigkeiten: DMS 3 Zuleitungen bis zum Messgerät Kupferdrähte korrosionsempfindlich Quelle: Dissertation, Markus Gabler Verkabelung für 12 faseroptische Sensoren (links) und 113 DMS (rechts) ITV Denkendorf 8

9 Sensorik Optische Sensoren Piezoelektrische Sensoren Elektrische Sensoren Induktive Sensoren Bragg-Gitter%20Sensor%20CFK%20(384x216).jpg ITV Denkendorf 9

10 Optische Sensoren Nutzung der Lichtleitungseigenschaft Messung der Unterschiede im Lichtstrahl zwischen Lichtquelle und Messeinheit Glasfasern Faser-Bragg-Gitter (Dehnung, Temperaturveränderungen) Optical-Time Domain Reflectometry (Dehnung, Längen) Polymer Optische Fasern (Datenübertragung, Beleuchtung, Abstand-, Kräfteund Farbveränderungen) Sensor Kontaktierung Kontaktierung ITV Denkendorf 10

11 Faser-Bragg-Gitter Unbelasteter FBG Belasteter FBG ITV Denkendorf 11

12 Piezoelektrische Sensoren Piezoeffekt Messung einer Ladung Ladungstrennung an Kristalloberflächen bei Kraftaufbringung Umkehrung als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt Nur während dynamischer Vorgänge messbar Kontaktierung Sensor Kontaktierung Quelle: Wikipedia ITV Denkendorf 12

13 Piezoelektrische Sensoren Polyvinylidenfluorid (PVDF) Statistische Verteilung der Makromoleküle => piezoelektrischer Effekt nicht nutzbar Ausrichtung der Makromoleküle durch Polarisation u.a. thermische Polarisation Temperatur unter Curie-Temperatur ITV Denkendorf 13 Polarisationsachse Polarisationsspannng Vor Während Nach Polarisation Quelle: Ruschmeyer1995 Polarisationsspannung Polarisationsachse

14 Positionierung der Sensoren Tufting Sticken Gewebebänder LED in Glasfaserverbund mittels Gewebeband integriert ITV Denkendorf 14

15 Integrationsvariante - Pultrusion Pultrusion Flechtpultrusion Thermoplastpultrusion Duroplastpultrusion Gekrümmte Pultrusion Mikrowellen Pultrusion ITV Denkendorf 15

16 Sensorpultrusion Sensor Werkzeug Harzbad ITV Denkendorf 16

17 Messungen Demonstrator mit integrierten Sensoren und gleichzeitiger grafischer Auswertung rot: Sensor in Brückenmitte blau/grün: Sensoren jeweils in den Viertelspunkten ITV Denkendorf 17

18 Integrationsvariante - Vakuuminfusion Vakuuminfusion Harzzufuhr Werkzeug/Platte FVK-Bauteil Absaugung VAP Vacuum Assisted Process Harz-Einlasskanal VAP-Membran Vakuumvlies Vakuumfolie Luftabsaugung Ω Ω Dichtband Fließhilfe Abreißgewebe Preform Formwerkzeug ITV Denkendorf 18

19 Herstellung PVDF-Fasersensoren Faserspinnen und Verstrecken Herstellung eines Halbzeugs durch Weben Funktionsprüfung Weitere Schritte Infiltration Polarisierung ITV Denkendorf 19

20 Prototypische Kontaktierung Anbindung der Elektroden Litze Carbon-Elektrode ITV Denkendorf 20

21 Dynamische Dreipunkt-Biegeprüfungen Messung der piezoelektrischen Kennwerte durch dynamische Dreipunkt- Biegeprüfung Messung der entstehenden elektrischen Ladungen Sensor Druckfinne Auflager Messkabel ITV Denkendorf 21

22 Ergebnisse Piezoelektrischer Effekt kann auch an unpolarisierten Proben gemessen werden Thermische Polarisation bringt deutliche Verbesserung ITV Denkendorf 22

23 Ausblick Optimierung der Kontaktierung/ textile Leiter Brückenüberwachung Dehnung durch Belastung Hangüberwachung Dehnung eines Stabs bei Hangrutschen Kontrolle von Geothermiebohrungen Kontrolle der Dichtigkeit der Außenverkleidung über Temperatur Leckage von Gas-Pipelines - Temperaturänderung bei Entspannung des Gases bei Austritt ITV Denkendorf 23

24 Vielen Dank! ITV Denkendorf 24