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

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mit dem zunehmenden Bedarf an Leichtbau in der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Automobilindustrie steigt die Nachfrage nach Verbundwerkstoffstrukturen als geeignete Materialwahl. Der primäre Grund hierfür ist in ihren hohen Festigkeits-/Gewichts- Verhältnissen, welche wiederum von der Wechselwirkung zwischen Fasern und Matrix während der Aushärtungsphase abhängen, zu suchen. Daher ist die Überwachung dieses Prozesses ein wichtiger Aspekt der Forschung auf diesem Gebiet. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Methoden zur in situ Überwachung von Faserverbundwerkstoffen untersucht. In Anlehnung an die Erkenntnisse dieser Forschungsarbeiten war das Ziel des Projekts die Entwicklung eines passiven, drahtlosen in situ Sensors, welcher eine Monitorisierung des momentanen Aushärtegrades von Epoxidharz im Kohlenstofffaserverbund ermöglicht. Hierbei wurden die Erkenntnisse aus dem vorherigen Projekt als Ausgangspunkt für den Sensorentwurf genutzt. Darüber hinaus wurde der Sensor für eine höhere Betriebsfrequenz ausgelegt, wodurch eine Miniaturisierung des Sensors erreicht wird und folglich die Schwächung des Verbundwerkstoffs, aufgrund des eingebetteten Sensors, reduziert werden konnte. Der zentrale Unterschied zum Vorgängerprojekt liegt in der Entwicklung eines in situ Sensors zur Monitorisierung des momentanen Aushärtegrades von kohlenstofffaserverstärkten Kompositmaterialien. Aufgrund der Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern wurden die Antennen des Sensors mit dielektrischen Kanälen erweitert, wodurch der drahtlose Sensorbetrieb erhalten bleibt. Der Einfluss der Geometrie der dielektrischen Kanäle auf die mechanischen Eigenschaften des Kohlenstofffaserverbundwerkstoffs (CFRP) wurde untersucht. Um den Sensor vorerst simulativ entwerfen und optimieren zu können, wurden die beteiligten Materialien hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften charakterisiert. Daraufhin wurden die Einzelkomponenten entworfen und deren Funktionalität simulativ und messtechnisch verifiziert. Hierbei wurden die Geometrie und die Abmessungen der dielektrischen Kanäle als Kompromiss zwischen elektrischer Funktionalität und Schwächung des Verbundmaterials gewählt. Es wurde ein parametrisches Modell entwickelt, um die Kraftlinien entlang der Fasern um den Sensor herum zu optimieren und so die Sensorgeometrie zu optimieren, um die Spannungsakkumulation zu minimieren. Die erhaltene Geometrie wurde mithilfe einer Finite-Elemente-Analyse und mechanischen Tests validiert, um die Leistung einer Verbundprobe, in welche eine Dummy-Geometrie eingebettet war, zu verbessern. Ausgehend von diesem Modell wurde die Geometrie des Sensors, welcher die zuvor entworfenen Einzelkomponenten vereint, optimiert. Der Sensor wurde messtechnisch unter kontrollierten Klimabedingungen im CFRP Verbund erprobt. Abhängig vom momentanen Aushärtegrad der Epoxidmatrix ändert sich die Resonanzfrequenz und die Amplitude eines im Sensor integrierten Resonators, wodurch das Sensorkonzept zum Monitoring des Aushärtegrades in Echtzeit bestätigt ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Innovative drahtlose Sensorkonzepte für das in-situ Monitoring von Aushärtevorgängen in Epoxidharzsystemen und Faserverbundbauteilen,” in Tagungsband 4. Symposium Materialtechnik, Fortschrittsberichte der Materialforschung und Werkstofftechnik. Düren:Shaker Verlag, 2021, S. 698–711.
  B. Dorbath; J. Groh; J. Schür & M. Vossiek
  
• “Mechanical performance evaluation of carbon fiber composites equipped with an in-situ wireless sensor body” in Verbundwerkstoffe - 23. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, DGM, 19.07.2022 - 22.07.2022
  G. S. Dutta; B. Dorbath; G. Ziegmann & M. Vossiek
  
• Passive, Wireless In Situ Millimeterwave Sensor With Mounted Dielectric Channels for Cure Monitoring of Carbon Fiber-Reinforced Polymers. IEEE Sensors Journal, 23(20), 24438-24451.
  Dorbath, Benedikt; Schür, Jan; Ziegmann, Gerhard & Vossiek, Martin
  
• Single-Fed Additively Manufactured Conical Horn Antenna with Circular Polarization for Millimeter-Wave Applications. 2023 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1-5. IEEE.
  Dorbath, Benedikt; Lomakin, Konstantin; Pfahler, Tim; Schür, Jan & Vossiek, Martin
  
• “Mechanical Performance Evaluation of Fiber Composites Equipped with In- Situ Wireless Sensor Bodies,” Tagungsband 5. Symposium Materialtechnik, 2023. ISBN 978-3-8440-9105-2.
  G. S. Dutta; G. Ziegmann; W. Li; B. Dorbath; M. Vossiek & J. Guhathakurta
  
• Transmission Loss Analysis of Unidirectional Carbon Fiber-Reinforced Polymers for Millimeter Waves for Linear and Circular Polarization. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 72(3), 1729-1738.
  Dorbath, Benedikt; Schür, Jan & Vossiek, Martin