Integrierte Sensoren und Aktoren für thermoplastische Faserverbundwerkstoffe

Material-integrierte Aktoren und Sensoren werden die Nutzung von Faserverbundwerkstoffen effektiver machen. Die Imitation lebendiger Strukturen rückt durch aktuelle Entwicklungen in greifbare Nähe. Sensoren die auf der Werkstoffebene eingebettet werden, erlauben Aussagen über den Belastungs- und Schädigungszustand von Leichtbaustrukturen. Formveränderliche Flügel- bzw. Rotorblattgeometrien für einen zuverlässigen Auftrieb bei Flugzeugen bzw. für einen höheren Wirkungsgrad an Windkraftanlagen sind durch die Integration von Aktormaterialien eine realistische Zukunftsvision. Ebenfalls sind zukünftig formveränderliche Außenverkleidungen an Automobilen zur Reduzierung des Luftwiderstands umsetzbar. Die dynamische Anpassung der Resonanzfrequenzen schwingender Systeme zur Vermeidung von Resonanzgeräuschen sowie eine Steifigkeitsanpassung von Leichtbau-Federelementen, bspw. von Federn in Fahrzeugen zur Anpassung an den Fahrbahnuntergrund sind weitere erreichbare Anwendungsszenarien für Material-integrierte Sensoren und Aktoren. Eine Vielzahl dieser Funktionen kann mit Hilfe von Formgedächtnismaterialien umgesetzt werden.Durch funktionsintegrierenden Leichtbau gelingt es, die Systemkomplexität und Masse zu reduzieren. Dazu werden Formgedächtnisaktoren in faserverstärkte Kunststoffe integriert und so Leichtbaustrukturen mit variabler Geometrie und Steifigkeit realisiert. Die Vorteile liegen in der Einsparung von Ressourcen und Emissionen durch Reduzierung von Masse aufgrund der hohen spezifischen Energiedichte von Formgedächtnis-Aktoren sowie in der Reduzierung der Systemkomplexität durch Verwendung von Bauteilen mit integrierten Funktionen. Zur Bereitstellung von Dehnungssensoren mit großer elastischer Dehnbarkeit werden Sensoren aus pseudoelastischen Formgedächtnislegierungen (FGL) genutzt. Diese können wiederholbar bis zu 8 Prozent gestreckt werden. Für große Zykluszahlen sind Dehnungen bis 3 Prozent möglich. Der ermittelte k-Faktor des Materials ist größer als 5 und damit besser als bei vielen anderen DMS-Werkstoffen. Die Integration der Formgedächtnis-Aktoren und Sensoren in Kunststoffbauteile ist mittels Spritzguss, Heißpressen, Extrudieren, Pultrusion, Vakuuminfusion etc. möglich.