FILIMA – Funktionsintegrierter Leichtbau mit Faserverbunden im Maschinen- und Anlagenbau, Teilthema: Schwingungssensorik mit Piezofaser-Polymerkompositen

Zukünftig werden in zunehmendem Maße Leichtbauteile auf der Basis von Faserverbundwerkstoffen zum Einsatz kommen. Der Fokus liegt hierbei im Automobilbau, aber auch im Maschinen- und Anlagenbau sind Tendenzen der Umorientierung erkennbar. Vorteilhaft könnten bewegte Maschinenteile, die bisher meist aus Stahl gefertigt werden, durch Leichtbauteile substituiert werden. Die dadurch verringerte bewegte Masse führt zu einem niedrigeren Energieverbrauch und kürzeren Zykluszeiten, die Gesamtsteifigkeit der Maschine bzw. Anlage nimmt zu und somit auch die Positioniergenauigkeit. Allerdings wird bei der Konstruktion und der Implementierung von Verbundleichtbauteilen partiell technologisches Neuland betreten.

Aufgabe des Projektes war die Entwicklung und der Aufbau von piezoelektrischen Sensoren auf der Basis keramischer Blei-Zirkonat-Titanat-Fasern (PZT-Fasern) und die Integration dieser Sensoren in Faserverbundbauteile.

Hiermit sollte dem zukünftigen Konstrukteur und Anwender der Maschine bzw. Anlage die Möglichkeit gegeben werden, die Schwingungsbelastung der Leichtbauteile online über lange Zeiträume zu verfolgen um daraus Hinweise über ein mögliches Bauteilversagen zu erhalten.

Ergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurden PZT-Faser-Sensoren aufgebaut und charakterisiert. Hierbei mussten Fragestellungen des Einbettens der PZT-Fasern in die Po-lymermatrix, hier insbesondere die der Faser-Matrix-Anbindung, der Polarisation, der Ausrüstung mit Elektroden, der Kontaktierung und der Integration der PZT-Faser-Sensoren im GFK/CFK bearbeitet werden.

Die elektrische Charakterisierung, speziell die Bestimmung der Piezokoeffizienten und die Korrelation der mechanischen und elektrischen Kennwerte, erfolgte auf Basis eines im Projektrahmen realisierten Messsystems zur frequenzabhängigen, mechanischen Anregung der PZT-Faser-Sensoren. Für die Erfassung der Sensorausgangssignale war ein breitbandig arbeitender Ladungsverstärker mit Analog-Digital-Wandler, Rechnerkopplung und Signalanalysesoftware verantwortlich. Weiterhin wurden die aufgebauten Sensoren anhand von GFK-/CFK-Versuchsträgern, die in Kooperation mit dem Projektpartner Schmuhl FVT GmbH & Co. KG Schmiedefeld realisiert wurden, erprobt. Dabei erfolgte zunächst die Applikation der Sensoren auf der Oberfläche von Versuchsträgern, in einem zweiten Schritt wurden die Sensoren in Versuchsträger integriert. Die Eignung der hergestellten PZT-Faser-Sensoren für die Messung von Bauteilschwingungen mit hoher Empfindlichkeit und die Funktion des Gesamtsystems PZT-Faser-Sensor/ Erfassungs- und Auswerteeinheit konnte in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Technische Universität Ilmenau und Samag GmbH Saalfeld an einem in Verbundbauweise hergestelltem Träger einer Mehrachs-Portalmaschine (Demonstratorbauteil) nachgewiesen werden.

Anwendung

Zukünftig könnten die preiswerten und robusten Sensoren ihren Einsatz in sicherheitsrelevanten Leichtbauteilen finden und einen Teil der durch Bauteilschwingungen er-zeugten Sensorleistung für die Energieversorgung zur Datenspeicherung/ Datenübertragung (wireless) der Sensorsignale nutzen (energieautarkes Mikrosystem, energy harvesting).