In Faserverbundkunststoffe können zusätzliche Funktionen integriert werden, z. B. durch eingebettete Sensoren, die Größen wie Kraft, mechanische Spannung, Druck oder Temperatur aufnehmen können. Einsatzgebiete für funktionsintegrierte Faserverbundkunststoffe können u. a. die Erfassung mechanischer Belastungen über der Lebenszeit von Leichtbauteilen (Structural Health Monitoring) in den Bereichen Wasserstoffwirtschaft, Biogasanlagen, Luftfahrt, Landmaschinenbau, Fahrrädern und anderen umweltfreundlichen Fortbewegungsmitteln, die Schaffung mechanischer Funktionselemente oder die Erfassung von Temperaturbelastungen in Leichtbauteilen sein.
Um in diesen Einsatzfeldern weitere Anwendungen zu erschließen, planen das Thüringische Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V. (TITK) und die CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH ein Verbundforschungsvorhaben mit Industriepartnern durchzuführen. Hierfür suchen wir u. a. Hersteller und Anwender aus der Industrie die an funktionsintegrierten Faserverbundkunststoffen interessiert sind. Bei Interesse melden Sie sich bitte unter den unten angegebenen Kontaktdaten.
Für das geplante Forschungsvorhaben baut das TITK auf seinen Erfahrungen in der Verarbeitung und Anwendung von Faserverbundkunststoffen auf. Für Forschung und Entwicklungsarbeiten stehen am TITK modernste Anlagen sowie vielfältige Prüf- und Analysemethoden bereit. Grundlage für das CiS Forschungsinstitut bilden die in den letzten Jahren erfolgten Entwicklungen im Bereich MEMS-basierter Sensorelemente für mechanische Größen wie Kraft, mechanische Spannung, Druck und auch der Temperatur sowie die Fortschrite im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik, die es ermöglichen, solche Sensorelemente mit individuell geformten Substratkörpern zu verbinden. Weil sich der Leichtbau als nachhaltige und energie- sowie ressourcenschonende Alternative zu herkömmlichen Technologien entwickelt, möchten TITK und CiS Forschungsinstitut neue Anwendungsfelder im Bereich Leichtbau identifizieren und adressieren. Damit wird ein Beitrag zur CO2-Reduktion geleistet.
Mögliche Anwendungen umfassen die Erfassung von mechanischen Belastungen in Form von Kräften, mechanischen Spannungen, Schwingungen usw. sowie Temperaturbelastungen durch in die Leichtbauteile integrierte MEMS-Sensoren. Dies ist insbesondere beim Belastungsmonitoring über der Lebensdauer notwendig und kann Aussagen für die innovative Konstruktion und Fertigung von Leichtbauteilen liefern. Die Erfassung der Messdaten ist kontinuierlich „24/7“ möglich. Die Daten können gespeichert oder übertragen werden sowie die Grundlage für eine Konstruktions- und Fertigungsoptimierung durch maschinelles Lernen bilden.
Ein erfolgreiches Anwendungsbeispiel dieser Technologie in einer anderen Branche ist die Überwachung mechanischer Verbindungen mittels Sensoren in sicherheitsrelevanten Bereichen. Diese Fragestellung gewinnt zunehmende Bedeutung für Industrie, Verkehr und Energiewirtschaft. Die Anforderungen an die Sensoren sind hoch. Sie müssen langzeitstabil befestigt werden, nicht in die vorhandene Konstruktion eingreifen und Schnittstellen integrieren, um Messdaten digital zu verarbeiten. Silizium-Dehnmessstreifen (Si-DMS) sind aufgrund ihrer Kompaktheit und des hohen Koppelfaktors sehr gut geeignet, mechanische Spannungen auf metallischen Probekörpern wie Schrauben, Rohren und Flanschen zu ermitteln (Abbildung links). Der Si-DMS besitzt eine Grundfläche von ca. 500 x500 μm² bei einer Dicke von ca. 15 μm (Abbildung rechts).
Vier Widerstände sind in den Chip implantiert worden. Der rote Pfeil symbolisiert die mechanische Spannung. Damit werden zwei Widerstände longitudinal, d. h. längs der Richtung des elektrischen Stromflusses, und zwei Widerstände transversal, d. h. quer zur Richtung des elektrischen Stromflusses, mechanisch belastet. Die so entstehenden Änderungen des elektrischen Widerstandes führen zu einem Brückensignal der Wheatstoneschen Messbrücke.
Das Aufbringen des Si-DMS auf den Probekörper erfordert große Sorgfalt. Eine langzeitstabile und sichere Verbindung zwischen Si-DMS und dem Probekörper muss auch bei Temperaturänderungen gewährleistet sein. Gleichzeitig muss die mechanische Spannung an der Oberfläche des Probekörpers auf den Si-DMS übertragen werden. Einflüsse durch Dritt- und sonstige Alterungseffekte sowie Hysterese sind auszuschließen.
Für ein Verbundforschungsvorhaben suchen wir Partner u .a. aus den folgenden Bereichen:
• Hersteller funktionsintegrierter Faserverbundkunststoffe
• Anwender funktionsintegrierter Faserverbundkunststoffe
• Entwickler und Hersteller von Ansteuerelektronik sowie
• Anbieter von Softwarelösungen zur Datenanalyse mit Cloud-Anbindung
TITK: Als eines von 130 Industrieforschungsinstituten ist das TITK unverzichtbarer Bestandteil der außeruniversitären Forschungslandschaft in Deutschland. Ein Team aus rund 200 Wissenschaftlern, Laboranten, technischen sowie kaufmännischen Mitarbeitern arbeitet im Institut und in zwei Tochtergesellschaften an der schnellen und kompetenten Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie an diversen Dienstleistungen. Als wirtschaftsnahe Forschungseinrichtung betreibt das TITK sowohl Vorlauf- als auch angewandte Forschung im industrienahen Bereich. Chemiker, Verfahrens- und Textilingenieure arbeiten Hand in Hand, um gemeinsam mit den Partnern und Auftraggebern Forschungsergebnisse schnell und marktorientiert in neue Prozesse und Techno-logien umzusetzen. Damit ein bestmöglicher Transfer in die Wirtschaft gelingt, werden die technische Umsetzbarkeit und der betriebswirtschaftliche Erfolg schon sehr frühzeitig bewertet. Dank dieser Herangehensweise konnten bereits mehrere eigenentwickelte Verfahren erfolgreich in eine kommerzielle Nutzung überführt werden. Das TITK unterstützt hierdurch klein- und mittelständische Unternehmen in deren Innovationsbestreben mit interdisziplinärem Fachwissen, innovativen Ideen, Branchenkenntnissen sowie mit der Bereitstellung moderner technischer Infrastruktur. Ziel dieser Zusammenarbeit ist die Entwicklung von Verfahren und wettbewerbsfähigen Produkten nach den individuellen Anforderungen der Auftraggeber. Dabei kommt ihnen zugute, dass die anwendungsnahe Forschung im TITK durch neue Erkenntnisse der Grundlagenforschung ergänzt werden kann.
CiS Forschungsinstitut: Die CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH ist eine privatwirtschaftlich organisierte, gemeinnützige, wirtschaftsnahe Forschungseinrichtung mit etwa 120 Mitarbeitern und gehört zu den führenden Instituten für die Entwicklung hochwertiger, siliziumbasierter Mikrosensoren und Mikrosystemen, speziell in den Bereichen MEMS und MOEMS. Gemeinsam mit ihren Partnern aus Forschung und Industrie schafft das CiS Forschungsinstitut neue Innovationen für die technischen Herausforderungen unserer Zeit. In enger Kooperation mit Politik und Wissenschaft übernimmt das CiS Forschungsinstitut aktiv Verantwortung für den Transfer von Wissen und die Verwertung von Forschungsergebnissen in Bezug auf neuartige und leistungsfähige Technologien zur Steigerung der Innovationskraft unserer Wirtschaft. Siliziumbasierte Sensoren bilden den Schwerpunkt unserer Forschungs- und Entwicklungsaufgaben für Industrie und Wissenschaft. Ausgehend vom anwendungsspezifischen Design, über Prozessentwicklung, Aufbau- und Verbindungstechnik bis zur passgenauen Lösung, einschließlich einer umfangreichen Messtechnik und Analytik präsentiert unser Portfolio die gesamte Wertschöpfungskete. Dabei liegt unser Fokus auf Langzeitstabilität, Präzision und hoher Zuverlässigkeit der Sensoren. Aufbauend auf einer 30-jährigen „Competence in Silicon“ reicht die Expertise von F&E-Leistungen bis zur Kleinserienfertigung kundenspezifischer Mikrokomponenten.
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Florian Puch | Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V.
+49 (0)3672 379 160 | puch@titk.de
