Entwicklung einer Methode zur kontinuierlichen Bauteilüberwachung von Faserverbundwerkstoffen mittels piezoelektrischer Mehrlagengewebe

Abstract

Eine Form der Beschädigung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) ist die Delamination. Diese Beschädigung ist durch konventionelle, visuelle Prüfung oft nicht zu erkennen. Methoden, wie das zyklische Austauschen der Bauteile oder regelmäßige Inspektionen, sind zeitaufwendig und vor allem teuer. Daher soll in Zukunft Sensorik direkt in solche Bauteile integriert werden, um die Beanspruchung oder den Zustand der Bauteile kontinuierlich im Betrieb zu überwachen (Condition Monitoring bzw. Structural Health Monitoring). Herkömmliche, elektronische Sensorbauteile, integriert in einem FKV, stellen allerdings einen Fremdkörper in der textilen Verstärkungsstruktur dar und bilden daher eine mechanische Schwachstelle. Gleichzeitig gewinnen dreidimensionale Mehrlagengewebe als textile Verstärkung im FKV aus mechanischen, aber auch wirtschaftlichen Gründen immer mehr an Bedeutung. Diese Arbeit beschreibt daher die Entwicklung und Charakterisierung einer piezoelektrischen Biegesensorik auf Mehrlagengewebebasis als Teil der gewebten Verstärkungsstruktur von FKV. Weil die Verstärkungsstruktur an sich als Sensor fungiert, entstehen durch diese Sensorik keine negativen Einflüsse auf die mechanischen Bauteileigenschaften durch Fehlstellen in der textilen Grundstruktur. Durch grundlegende Analysen zu Sensorprinzip und Sensoraufbau wird eine Methode entwickelt, wie textile Mehrlagenstrukturen partiell sensorisch ausgerüstet werden können. Die piezoelektrische Gewebestruktur wird auf eine möglichst gute sensorische Charakteristik bei möglichst geringem Einfluss auf die mechanischen Bauteileigenschaften hin entwickelt und optimiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann an verschiedenen Mehrlagengewebestrukturen umgesetzt, analysiert und verifiziert. Abschließend werden die Sensorsignale der gewebten Piezoelemente an einem mechanischen Berechnungsmodell validiert: Vom Signal der sensorischen Gewebestruktur kann direkt auf die Bauteilbeanspruchung geschlossen werden. Durch die entwickelte textile Sensortechnologie wird eine kontinuierliche Überwachung von dynamisch belasteten Bauteilen während des Betriebs ermöglicht. So können bspw. künftig mit Hilfe der Sensorik aus einer piezoelektrischen Mehrlagengewebestruktur eine mögliche Überlast während des Betriebs erkannt, eventuelle Beschädigungen vermieden bzw. detektiert und damit Wartungs-, Reparatur- und Stillstandkosten erheblich reduziert werden.

Delamination is one type of failure of fiber-reinforced plastic (FRP) composites. This degradation is often not detectable by conventional, visual inspection. Methods such as the cyclical replacement of components or periodic inspections are time-consuming and, in particular, expensive. Therefore, in future, sensors will be integrated directly into such components in order to continuously monitor the strain or condition of the components during operation (condition monitoring or structural health monitoring). However, conventional electronic sensor components integrated in an FRP represent a foreign object in the textile reinforcement structure and thus create a mechanical weak point. In parallel, three-dimensional multilayer woven fabrics are gaining more and more importance as textile reinforcements in FRP due to mechanical but also economic reasons. Thus, this work describes the development and characterization of a multilayer woven piezoelectric bending sensor system as part of the woven reinforcement structure of FRP. As the reinforcing structure itself serves as a sensor, this sensor technology avoids negative influences on the mechanical properties of the component caused by faults in the textile structure. Initially, fundamental investigations on the sensor principle and sensor structure are carried out to develop a technology for partially sensory textile multilayer structures. The piezoelectric woven structure is designed and engineered to achieve an optimum in sensory characteristics with minimal influence on the mechanical properties of the component. The findings obtained are then implemented and verified on different multilayer woven structures. Finally, the sensor signals of the woven piezo elements are successfully validated using a mechanical calculation model: The signal of the sensory fabric structure provides a direct correlation to the component strain. The developed textile sensor technology enables continuous monitoring of dynamically loaded components during operation. In future, the sensor technology based on a piezoelectric multilayer fabric structure can, e.g., detect a possible overload during operation, prevent or detect possible damage and thus significantly reduce mainte-nance, repair and machine downtime costs.