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Zustandsüberwachung von Bauteilen

Über die Luft- und Raumfahrt hinaus: Faserverbundwerkstoffe kommen auch in klassischen Industriebereichen wie dem Maschinenbau, der Robotik oder dem Automobilsektor mehr und mehr zum Einsatz. Deutliche Vorteile bieten ihr niedriges Gewicht und die hohe Belastbarkeit – Eigenschaften, die ihnen eine Schlüsselrolle verschaffen bei der Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz. Eine echte Herausforderung beim Einsatz dieser Werkstoffe stellt aber die Detektion von Beschädigungen und anderen Bauteilveränderungen dar. Denn im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen ist es schwierig, Beschädigungen optisch zu erkennen.

Um Ausfälle von kritischen Teilen oder aufwändige und teure Inspektionen zu vermeiden, sind daher neue Lösungen gefragt. Aktuell werden weltweit unterschiedliche Methoden zur Überwachung des Bauteilzustandes entwickelt; diese Methoden formen selbst einen integralen Bestandteil der Faserverbunde. Sie sollen eine Abfrage des aktuellen Zustandes zu jedem Zeitpunkt ermöglichen und Beschädigungen automatisch registrieren können.

CFK-Pionierbrücke mit experimentellem Überwachungssystem

INVENT beteiligt sich als Entwickler und Hersteller anspruchsvoller Faserverbundprodukte aktiv an der Entwicklung neuer Lösungen. Dabei steht neben der Ausstattung eigener Bauteile mit solchen Überwachungssystemen auch die Fertigung spezialisierter Sensoren im Fokus, die sich optimal für den Einsatz in Kombination mit Verbundmaterialien eignen.

INVENT entwickelt in erster Linie integrale Lösungen: Dazu gehören Sensoren und ihre Anschlusselemente, welche sich direkt auf oder in den Faserverbunden verbauen lassen. Diese Bauweisen schützen zum einen alle Komponenten vor äußeren Einflüssen, was ihre Zuverlässigkeit und Robustheit signifikant steigert. Zum anderen lassen sich so alle Komponenten direkt bei der Herstellung der Faserverbundstrukturen integrieren. Dadurch sinken die Gesamtkosten eines mit der Zustandsüberwachung ausgestatteten Bauteiles, denn eine nachträglich aufwändige Installation der Systeme entfällt.

Je nach Anforderung an die Qualität der Überwachung lassen sich unterschiedliche Systeme aufbauen. Im einfachsten Fall werden Impaktereignisse oder Brüche der Struktur mithilfe von piezokeramischen Sensoren detektiert. Die Sensoren wandeln die durch Ereignisse im Bauteil ausgelösten Schwingungen direkt in elektrische Signale um. Das Sensornetz kommt dabei ohne elektrische Energie von außen aus.

Aufwändigere Verfahren arbeiten mit Sensor- und Aktuatorkombinationen. Dabei werden mittels der Aktuatoren hochfrequente Schwingungen in die Bauteile eingespeist, die nach einer bestimmten Wegstrecke von den Sensoren erfasst werden. Kommt es zu Veränderungen bei den empfangenen Signalen, können diese gezielt auf Änderungen am Bauteil zurückgeführt werden. Der Vorteil solcher Systeme: Sie machen nicht nur eine ortsauflösende Fehlerdetektion möglich, sondern erlauben auch Aussagen über die Größe der Beschädigung.

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