Schwingungsanalyse

Materialdefekte lassen sich über eine Schwingungsanalyse detektieren. Bild: Jürgen Jeibman, ECEMP

Dies geschieht durch die Integration von Sensor- und Aktorelementen in die Verbundwerkstoffe.

Mit einem ausgeklügelten System aus Nervenreizen und Muskeln können Lebewesen äußere Störungen erkennen und darauf reagieren. Ein Prozess, den die Wissenschaftler im ECEMP-Teilprojekt SmaComp unter Leitung von Prof. Werner Hufenbach, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden nachahmen. Sie entwickeln Smart Composites, Faserkunststoffverbunde (FKV), in die sie sensorische und aktorische Funktionselemente integrieren – also Materialien, die mitdenken. Zu deren optimaler Platzierung und Ausrichtung haben die Wissenschaftler vom ILK eine schnelle und zuverlässige Methode entwickelt, die sich auf beliebige Strukturen anwenden lässt.

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Im ECEMP wurde eine Fanschaufel für Flugzeugtriebwerke aus CFK entwickelt, die Schäden selbst erkennt und auf Störungen reagiert. Zudem ist sie sehr leicht und kann Kräfte besonders gut aufnehmen. Bild: TU Dresden

Um Masse und Ressourcen einzusparen, werden immer häufiger Faserkunststoffverbunde als Ersatz metallischer Werkstoffe zur Konstruktion von Bauteilen verwendet. FKV besitzen herausragende Materialeigenschaften. Sie sind leicht, besitzen ein sehr gutes Dämpfungsverhalten und haben eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit. Aus fertigungstechnischen Gründen eignen sie sich zudem besonders gut zur Integration von Funktionselementen zur Herstellung intelligenter Strukturen. Damit lässt sich der Einsatzbereich für FVK noch einmal deutlich erweitern.

Werner Hufenbach

„Smart Composites können Schäden im Werkstoff selbst erkennen.“
Prof. Werner Hufenbach ist Sprecher des sächsischen Exzellenzclusters „ECEMP – European Centre for Emerging Materials and Processes Dresden“. Bild: TU Dresden

Aus Sicherheitsgründen müssen bei regelmäßigen Wartungen technischer Anlagen Bauteile häufig auch dann ausgetauscht werden, wenn noch keine sichtbaren Schäden aufgetreten sind. Dies ist ein erheblicher Kosten- und Ressourcenfaktor.

Bei der Entwicklung von Strukturbauteilen auf Basis von Smart Composites ist die optimale Platzierung und Ausrichtung der Funktionselemente in die Struktur eine wesentliche Fragestellung. Denn es ist durchaus nicht so, dass das gesamte Bauteil mit Überwachungselementen bestückt werden muss. Auf Ort und Winkel kommt es an.

Die neue Strategie, die die Wissenschaftler im Projekt entwickelt haben, ist ein Algorithmus, der auf einer Analyse der integralen Dehnungsfelder beruht, die bei Schwingungsvorgängen vorliegen. Das Verfahren lässt sich auch auf mehrfach gekrümmte Strukturen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften innerhalb des Bauteils anwenden. Bisherige Verfahren sind entweder sehr aufwendig oder sind nur für einfache Strukturen geeignet.

Auf diese Weise haben die Wissenschaftler im Projekt eine intelligente Fanschaufel für Flugzeugtriebwerke entwickelt, die sich selbst überwacht und Schwingungen aktiv dämpfen kann. Sowohl die Energie- als auch die Datenübertragung erfolgt dabei drahtlos. fa

Autorin: Dr. Silke Ottow, TU Dresden

ECEMP – Vom Atom zum komplexen Bauteil

Sächsischer Spitzentechnologie-Cluster

Das „ECEMP – European Centre for Emerging Materials and Processes Dresden“ ist ein Sächsischer Spitzentechnologiecluster. Die Wissenschaftler im ECEMP entwickeln Mehrkomponentenwerkstoffe mit erweitertem Einsatzspektrum und den zugehörigen Technologien für die drei Zukunftsfelder Energietechnik, Umwelttechnik und Leichtbau. Hierbei kommen metallische (Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan), nichtmetallisch-organische (Kunststoffe, Naturstoffe) und nichtmetallisch-anorganische (Keramik, Glas) Werkstoffe zum Einsatz.

Das ECEMP umfasst 14 Teilprojekte, an denen 40 Professuren aus 24 Instituten der TU Dresden, der HTW Dresden sowie der TU Bergakademie Freiberg beteiligt sind und nutzt deren interdisziplinäre Verknüpfung. Das ECEMP wird finanziert aus Mitteln der Europäischen Union (EFRE) und des Freistaates Sachsen. Sprecher des ECEMP ist Prof. Dr.-Ing. Werner Hufenbach.