Eingebettete multifunktionale Sensoren zur Steuerung des Aushärteprozesses von Faserverbunden

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dietzel; Professor Dr.-Ing. Michael Sinapius
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397053684

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Um bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen Zeit, Energie und Kosten sparen zu können, werden möglichst viele Informationen über das Geschehen während des Herstellungsprozesses benötigt. Eine von mehreren Möglichkeiten, diese Informationen zu erhalten, ist die Integration von Foliensensoren in die hergestellten Bauteile. Diese bestehen aus einer thermoplastischen Folie, auf der metallische Elektroden strukturiert sind. Die Integration in das Bauteil bringt verschiedene Vor- und Nachteile mit sich. Einerseits sind bauteilintegrierte Sensoren flexibler einsetzbar als werkzeugintegrierte Sensoren und erlauben eine höhere räumliche Auflösung der Aushärtungsprozesse. Auf der anderen Seite werden sie während der Produktion Teil des Produkts und sollten daher einfach und kostengünstig sein sowie die Belastbarkeit nicht beeinträchtigen. Aus mechanischer Sicht bergen Foliensensoren vor allem ein Delaminationsrisiko. Der entscheidende Einflussfaktor ist die Wahl des thermoplastischen Trägermaterials. Sensoren auf Basis des häufig verwendeten Substratmaterials Polyimid bringen ein erhebliches Delaminationsrisiko mit sich. Der Einfluss von Polyetherimid ist dagegen weit weniger schädlich. Einige Versuche zeigen, dass Sensoren auf Polyethermidbasis sogar einzelne Festigkeitseigenschaften verbessern. Neben dem Trägermaterial haben auch die metallischen Sensorstrukturen einen Einfluss auf die Belastbarkeit. Für das Design von minimalinvasiven Sensoren sollte ein möglichst geringer Metallisierungsgrad angestrebt werden. Das gängigste Design für Foliensensoren zur Aushärtungsüberwachung sind sogenannte Interdigitalelektroden, die eine elektrische Kapazität bilden, deren Impedanz von der direkten Umgebung beeinflusst wird. Bei variothermen Fertigungsprozessen besteht eine Herausforderung darin, den Einfluss der Temperatur von dem des Aushärtungsgrades zu trennen. Die mit integrierten Sensoren gemessenen Impedanzinformationen müssen verarbeitet werden, um die Frequenzabhängigkeit und die Einflüsse von Temperatur und Sensorgeometrie aus den Daten zu entfernen. In der AG Sinapius wurde zu diesem Zweck auf Grundlage einer umfassenden Harzcharakterisierung ein Algorithmus entwickelt, der aus gemessenen Impedanzspektren und gemessenen Temperaturdaten den Aushärtegrad berechnet. Für die Überwachung variothermer Aushärtevorgänge ist daher der Einsatz eines zusätzlichen Temperatursensors unerlässlich. Zu diesem Zweck hat die AG Dietzel einen integrierten Multisensorknoten entwickelt, der die Temperaturinformation, die dielektrischen Eigenschaften und zusätzlich den Dehnungszustand auf einem einzigen Foliensensor misst. Neben der Ermittlung des Aushärtegrades bieten die Sensordaten auch Potential zur Bestimmung des Faservolumengehalts oder zur Erkennung von Harzfehlanmischungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Adhesion of Multifunctional Substrates for Integrated Cure Monitoring Film Sensors to Carbon Fiber Reinforced Polymers. Journal of Composites Science, 4(3), 138.
  Kyriazis, Alexander; Asali, Kais; Sinapius, Michael; Rager, Korbinian & Dietzel, Andreas
  
• Reducing the Weakening Effect in Fibre-Reinforced Polymers Caused by Integrated Film Sensors. Journal of Composites Science, 5(10), 256.
  Kyriazis, Alexander; Feder, Julia; Rager, Korbinian; von der Heide, Chresten; Dietzel, Andreas & Sinapius, Michael
  
• Space-Filling Curve Resistor on Ultra-Thin Polyetherimide Foil for Strain Impervious Temperature Sensing. Sensors, 21(19), 6479.
  Rager, Korbinian; Jaworski, David; von der Heide, Chresten; Kyriazis, Alexander; Sinapius, Michael; Constantinou, Iordania & Dietzel, Andreas
  
• Tensile Strength and Structure of the Interface between a Room-Curing Epoxy Resin and Thermoplastic Films for the Purpose of Sensor Integration. Polymers, 13(3), 330.
  Kyriazis, Alexander; Kilian, Riem; Sinapius, Michael; Rager, Korbinian & Dietzel, Andreas
  
• Comparison of Different Cure Monitoring Techniques. Sensors, 22(19), 7301.
  Kyriazis, Alexander; Pommer, Christian; Lohuis, David; Rager, Korbinian; Dietzel, Andreas & Sinapius, Michael
  
• A Parametric Model for the Analysis of the Impedance Spectra of Dielectric Sensors in Curing Epoxy Resins. Sensors, 23(4), 1825.
  Kyriazis, Alexander; Charif, Samir; Rager, Korbinian; Dietzel, Andreas & Sinapius, Michael
  
• Ordered Porous Electrodes Obtained Using LIFT for Electrochemical Applications. Materials, 16(2), 596.
  Rager, Korbinian; Tang, Bo; Schneemann, Christian; Dworzak, Alexandra; Oezaslan, Mehtap & Dietzel, Andreas
  
• „Bauteilintegrierte Überwachung variothermer Faserverbundfertigungsprozesse mittels minimalinvasiver Foliensensoren auf löslichem Substrat“. Dissertation, Technische Universität Braunschweig, Springer Verlag. ISBN: 978-3-662-68164-0.
  Kyriazis, A.