Multifunktionale Klebschicht mit Rissstoppfunktion und gradientenfähiger Sensorik zur Zustandsüberwachung als Fügetechnologie für CFK-Leichtbaustrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dietzel; Professor Dr.-Ing. Christian Hühne
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401136681

Im Erstantrag wurde das Ziel verfolgt eine Dünnschichtsensorik in hochbelastete Klebschichten von Kompositen zu integrieren und mit einer Rissstopptechnologie zu kombinieren, um die Betriebssicherheit von geklebten Komposit-Strukturbauteilen maßgeblich zu verbessern. Dabei kommt der funktionskonformen Integration eine hohe Bedeutung zu, denn die Sensorik darf weder die Klebverbindung noch die Rissstoppfunktion beeinträchtigen. Es wurde ein lithographisch erzeugtes Smart Inlay, bestehend aus einer Polyetherimid (PEI) Substratlage und einer Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) Deckschicht entwickelt. Mit diesem konnte über die Messung von Dehnungsgradienten ein fortschreitender Schaden in der Klebschicht sichtbar gemacht werden. Das PVDF wirkt gleichzeitig als Rissstopp, sodass das Smart Inlay, in die Klebschicht integriert, ein multifunktionales Rissstoppelement (MRSE) bildet. Für die MRSEs konnten wesentliche Herausforderungen gelöst werden, wie etwa die Anpassung der Oberflächenqualität der neuartigen Substrate an die Anforderungen der Mikrofabrikation von Dünnschichtsensoren. Obwohl die Prinzipien der Multifunktionalen Klebschicht nachgewiesen wurden, besteht weiterer grundlegender Forschungsbedarf, insbesondere hinsichtlich der Robustheit der Sensoren. Die Ziele der zweiten Förderperiode sind die Entwicklung einer Auslegungsmethodik auf Basis von zu etablierenden Kennwerten für funktionskonforme multifunktionale Klebschichten, eine verbesserte dynamische Beanspruchbarkeit der Sensoren und die Umsetzung von Skalierungsmethoden für eine großflächige Sensorintegration. Dazu werden in Ergänzung der ersten Förderperiode Versuche zur Generierung experimenteller Kennwerte durchgeführt. Über die Kennwerte können verschiedenen Varianten multifunktionaler Klebschichten bewertet und verglichen werden. Für die Verbesserung der dynamischen Beanspruchbarkeit der Smart Inlays werden alternative Substratmaterialien und Vorbehandlungsmethoden erprobt. Des Weiteren wird mit dem mikrotechnischen Siebdruck ein neues Fertigungsverfahren untersucht, mit dem z.B. auch dehnbare leitfähige Pasten zur Fertigung der Sensorstruktur einsetzbar sind. Aufgrund der Dehnbarkeit und der wahrscheinlich homogeneren Spannungsverteilung im Vergleich zu metallischen Sensorstrukturen, ist eine verbesserte dynamische Beanspruchbarkeit der Sensoren zu erwarten. Mit den verbesserten Smart Inlays wird zudem angestrebt den Algorithmus zur Schadenserkennung für eine robuste Schadenserkennung und Risslängenprognose zu überarbeiten. Zum Abschluss des Projekts werden Skalierungsmethoden für großflächigere Bauteile untersucht. Es wird betrachtet, wie Sensorstrukturen miteinander verbunden werden können, sodass auch große Flächen abgedeckt werden können. Zudem werden piezoelektrische Harvester Konzepte für den autarken Betrieb der Smart Inlays untersucht. Die Skalierbarkeit der multifunktionalen Rissstopp-Technologe wird anhand einer leichtbautypischen Omega-Stringer Außenhautverklebung getestet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Michael Sinapius