Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) besitzen vorteilhafte technische Eigenschaften, wie etwa gute Steifigkeiten und Festigkeiten bei gleichzeitig geringem Gewicht, die sie als Konstruktionswerkstoff besonders interessant machen und gegenüber anderen, etwa vielen metallischen Werkstoffen, abgrenzen.
Da im Besonderen das spezielle Schädigungsverhalten von FVK eine Herausausforderung darstellt, erfolgte im Labor Faserverbundtechnik (LFT) an der OTH Regensburg ein dreijähriges Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit Projektpartner des Sensorik-ApplikationsZentrums, der Maschinenfabrik Reinhausen GmbH sowie der Reinhausen Power Composite GmbH, welches von der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) mit einer Gesamtsumme von 440.900 Euro gefördert wurde.
Lebensdauerüberwachung von faserverstärkten Kunststoffen auf Basis der strukturdynamischen Werkstoffdämpfung – DampSIM
Im Fokus der Untersuchungen stand die Strukturintegrität von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff. Um Bauteilschäden effizient identifizieren zu können, wird häufig ein vibrationsbasierter Ansatz verwendet. Da bei FVK-Werkstoffen die Eigenformen und Eigenfrequenzen aber oft nur wenig durch Materialschäden beeinflusst werden, wurde im Forschungsvorhaben DampSIM die strukturdynamische Werkstoffdämpfung hinzugezogen. Diese eignet sich als Schadensindikator, da geschädigte Strukturen aufgrund reibungsbehafteter Relativbewegungen von Schadensflächen im Inneren ein erhöhtes Dämpfungsverhalten aufweisen.
Die grundlegenden Materialuntersuchungen im Forschungsvorhaben liefern die Basis für die Ausarbeitung eines solchen Überwachungssystems. Um die Eignung als Zustandsindikator zu bewerten, wurden verschiedene Strukturen analysiert. Die Grundprinzipien wurden an stabförmigen Probekörpern erarbeitet, die im Projektverlauf um platten- und rohrförmige Probekörper erweitert wurden. Für die Erfassung des Schwingverhaltens wurden laserbasierte Messsysteme genutzt und integrierbare Sensoren erprobt.
Aus den erhaltenen Signaldaten erfolgt eine Berechnung der modalen Parameter. Diese strukturdynamischen Kennwerte, im Besonderen die Dämpfungen, bieten die Möglichkeit zur Erstellung von Referenzdatenbanken. Hierdurch sollen Strukturen mit abweichendem Schwingverhalten identifiziert werden. Da FVK jedoch eine Vielfalt an Material- und Werkstoffkombinationen bieten und auch Quereinflüsse vorliegen können, wurden diese Messungen von umfangreichen Werkstoff- und Prozessuntersuchungen begleitet. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse und ableitbarer Verbesserungsmöglichkeiten ist die Realisierung eines anwendungstauglichen, dämpfungsbasierten Structural Health Monitoring Systems für FVK-Strukturen möglich.
