Entwicklung eines drahtlosen, multifunktionalen Sensorsystems zur Erfassung der Prozessparameter während der Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Faserverbundbauteilen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Vossiek; Professor Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kunststofftechnik ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417571210

Im vorherigen Projekt wurde ein direkter Zusammenhang zwischen dem Aushärtegrad von Harzsystemen und deren dielektrischen Eigenschaften bei 24 GHz durch die Korrelation der Aushärtungsverläufe eines neuartigen Reaktionskinetikmodells und Permittivitätsmesskurven belegt. Es wurde zudem ein batterieloser, drahtloser 24GHz-Sensor für die in-situ Erfassung der Permittivität und Temperatur während der Aushärtung innerhalb einer Faserverbundstruktur konzipiert und erfolgreich erprobt.Da dieser Sensor jedoch nur in elektrisch isolierenden Faserverbundwerkstoffen (FVK) eingesetzt werden kann, soll in diesem Projekt die Adaptierbarkeit eines solchen Systems für den Einsatz in FVK mit leitenden Kohlenstofffasern (CF) untersucht werden, da für deren Einsatz in Strukturbauteilen eine stetig hohe Qualität von größter Bedeutung ist.Die Schwierigkeit bei CF-verstärkten Kunstoffen (CFK) ist, dass das Funksignal durch die leitfähigen Fasern stark gedämpft wird. Die Dämpfung ist dabei vor allem abhängig von der Polarisation der elektromagnetischen Felder und der Faseranordnung.Um die Einflüsse von unterschiedlichen Textilgelegen, Faservolumengehalten und Polarisationen klassifizieren zu können, werden diese mit und ohne aushärtendem Epoxidharz bei verschiedenen Temperaturen mit einem quasioptischen Transmissionsaufbau charakterisiert. So erschließt sich, ab welchen Konfigurationen das Material nicht mehr ohne zusätzliche Maßnahmen durchstrahlt werden kann. Eine Verbesserung der Transmittierbarkeit soll durch das Einbringen von dielektrischen Kanälen oberhalb der Antennen erreicht werden. Dies erfordert ein Konzept zur Auslegung und präzisen Einbringung der Kanäle vor der Infusion der Struktur, sodass diese möglichst gering beeinträchtigt wird. Zusätzlich soll die Betriebsfrequenz des Sensors erhöht werden, um sowohl den Sensor als auch die Kanäle klein auslegen zu können, wodurch die Strukturbeeinflussung verringert wird. Aufgrund der neu hinzugekommenen Anforderungen kann lediglich das grundliegende Funktionsprinzip des Sensors aus dem vorherigen Projekt verwendet werden. Der Sensor an sich und die dielektrischen Kanäle müssen jedoch von Grund auf neu entwickelt werden.Der strukturmechanische Einfluss des eingebetteten Sensors und des zugehörigen Kanals auf komplexe Strukturen soll mittels einem zu entwickelnden, gekoppelten Simulationsmodell berei ts vorab berechenbar gemacht werden. Hierbei soll auch der Einfluss von Sensorgeometrie und Grenzschichtanbindung ermittelt werden. Eine experimentelle lastgerechte Optimierung des Sensors bezüglich Geometrie und Grenzschicht wird so simulativ unterstützt.Anhand von Testergebnisse zu den Sensorkomponenten und der Strukturmechanik wird der finale drahtlose Sensor konzipiert, hergestellt und nach der Fertigung im aushärtenden Faserverbund getestet. Die abschließenden Funktionstests in einem realen Infusionsprozess sollen die Einsetzbarkeit des neuartigen Sensors aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen