Integration flexibler kapazitiver Sensoren in Polymere zur Überwachung von Polymerisations- und Degradationsprozessen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Axel Herrmann; Professor Dr.-Ing. Walter Lang
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271616017

Online-Process-Monitoring (OPM) hat das Potential den Einsatz von polymeren Faserverbundwerkstoffen deutlich voran zu treiben, da sich so Prozesszeiten und Kosten reduzieren lassen während sich die Qualität verbessert. Den Konsolidierungsprozess, im speziellen den Aushärteprozess zu überwachen ist dabei entscheidend, da dieser im Bauteil nicht immer homogen verläuft. Aus diesem Grund ist es sinnvoll Sensoren in den Verbund zu integrieren, die dann den Herstellungsprozess im Material überwachen. Dazu ist es aber notwendig, dass sie den Prozess überstehen und die Funktionalität des Bauteils nicht beeinträchtigen. Um diese Vorgaben zu erfüllen wurde im Rahmen des Projektes „Integration flexibler kapazitiver Sensoren in Polymere zur Überwachung von Polymerisations- und Degradationsprozessen“ ein miniaturisierter flexibler dielektrischer Sensor entwickelt. Der Sensor wurde in duromere Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe eingebettet. Die Aushärtung konnte so erfolgreich während der Herstellungsprozesses gemessen. Zusätzlich wurde der Einfluss auf die mechanische Integrität untersucht. Es hat sich bei quasistatischen Belastungen gezeigt, dass der Sensor die makroskopischen Materialeigenschaften fast nicht beeinträchtigt. Im Rahmen des Projektes wurde nur die Aushärtung von Duromeren als Matrixmaterial untersucht. Neben Duromeren werden jedoch auch Thermoplaste vermehrt in der Faserverbundherstellung eingesetzt. Thermoplaste haben den Vorteil, dass mit ihnen ein schnellerer Herstellungsprozess möglich ist. Wichtig hinsichtlich der industriellen Nutzbarkeit sind die wesentlich kürzeren Herstellungszyklen, die mit Thermoplasten im Gegensatz zu Duromeren erreicht werden können. Außerdem sind sie wiederaufschmelzbar, was sowohl Reparaturen als auch das Recycling von defekten Bauteilen zulässt.Während des Aushärteprozesses von Duromeren vernetzen sich die Polymerketten und es entstehen kovalente Bindungen. Im Gegensatz dazu vernetzten die Polymerketten von Thermoplasten nicht, aber sie können sich zueinander anordnen. Das Verhältnis zwischen geordneten und ungeordneten Bereichen wird Kristallisationsgrad genannt. Dieser bestimmt maßgeblich die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Materials und kann durch die Prozessparameter während des Erstarrungsprozesses beeinflusst werden. Das Ziel des Projekts ist, die Kristallisation von Thermoplasten in der Faserverbundkunststoffherstellung online zu überwachen und insbesondere den Kristallisationsgrad, den Erstarrungspunkt beziehungsweise den Lastübertragungspunkt möglichst genau im Innern des Werkstoffes zu bestimmen und zu steuern. Parallel zu den miniaturisierten dielektrischen Sensoren sollen auch Lichtleitersensoren - eingebettet in den Werkstoff – verwendet werden, um ein möglichst großes elektromagnetisches Frequenzspektrum abzudecken. Durch die Kombination der beiden Messprinzipien wird ein erheblicher Zugewinn an Informationen erzielt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen