3D-gedruckte Composite-Bauteile ermöglichen selbsterfassende Schadensdetektion für Luftfahrt & Bauwesen

Brightlands Materials Center (Geleen, Niederlande) hat 3D-gedruckte Composite-Bauteile mit Selbstsensorfunktionalität entwickelt. Selbstsensorik schafft Möglichkeiten, kritische Strukturen in Bereichen wie Luftfahrt, Bauwesen und Gesundheitswesen zu überwachen.

Was ist Selbstsensorik?

Selbstsensorik ist die Fähigkeit eines Materials, als Sensor zu fungieren und Informationen über seinen eigenen Zustand zu sammeln. Carbonfaserverstärkte Polymer-Matrix-Composites bieten bereits etablierte Selbstsensorikfähigkeiten basierend auf messbaren Änderungen im elektrischen Widerstand der kontinuierlichen Fasern. Solche Materialien werden für Structural Health Monitoring (SHM) in Flugzeugen und Bauanwendungen einschließlich Brücken und Gebäuden entwickelt und demonstriert.

Traditionell wurden solche selbstsensorischen Composite-Materialien mit Techniken hergestellt, die mehrere Stufen, komplexere Operationen und Spezialausrüstung umfassen. Brightlands Materials Center kombiniert die Selbstsensorik kontinuierlicher Carbonfaser mit Fertigung mittels Additiver Fertigung, um SHM-Anwendungen kosteneffizienter zu machen, was breitere Nutzung und Expansion in neue Anwendungen ermöglicht.

Kontinuierliche Faser 3D-Druck eröffnet neue Horizonte

Additive Fertigung ermöglicht sehr präzise Positionierung und Orientierung kontinuierlicher Carbonfasern. Somit ist es möglich, die Fasern an gewählten Stellen im Produkt zu platzieren, um die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit entlang spezifizierter Lastpfade bereitzustellen und einen integralen Teil der Struktur zu bilden. Das bedeutet, dass die Carbonfasern dort positioniert sind, wo sie als „Sensoren“ für die Überwachung der Struktur fungieren müssen, und mehrere Fasern einen Bereich von Sensoren im gesamten Bauteil bilden können.

Brightlands Materials Center hat dieses Konzept demonstriert, indem es Verformung in einem Maßstabsmodell einer Fußgänger-Composite-Brücke und in einem einfachen Biegebalken überwachte. Beide wurden mit dem Anisoprint (Esch-sur-Alzette, Luxemburg) Composer A4 Composite 3D-Drucker gedruckt. „Wir sind besonders zufrieden mit unseren neuen Anisoprint-Systemen, da sie so hohe Freiheit in der Wahl der Druckmaterialien sowie vollständige Kontrolle der Faserablage bieten“, sagt Guy Bex, Forschungsingenieur bei Brightlands Materials Center. Freiheit in der Faserpositionierung ist auch für Sensorik entscheidend, da die kontinuierlichen Carbonfasern aus dem Bauteil herausragen müssen, um Verbindungen zur elektronischen Hardware für die Überwachung herzustellen.

Präzisere 3D-Druckergebnisse

Da 3D-Druck keine Werkzeuge oder Formen erfordert, bietet er einen Einstufenprozess zur Herstellung kontinuierlich faserverstärkter Composites beliebiger Form, der traditionelle mehrstufige Techniken ersetzt, die komplexer, zeitaufwändiger und teurer sind. Allerdings kann die Optimierung des Fertigungsprozesses für 3D-gedruckte Strukturen mehrere Iterationen erfordern. Selbstsensorische 3D-gedruckte Composites können Informationen über ihre realen Einsatzbedingungen sammeln, wichtig für die Design- und Prototypenphase neuer Produkte.

Während solcher Tests registriert das selbstsensorische 3D-gedruckte Bauteil die realen Bedingungen und Kräfte, die im Betrieb erfahren werden, was Designern und Ingenieuren ein präziseres Verständnis der tatsächlichen Anforderungen gibt, denen gedruckte Bauteile standhalten müssen.

Solche Sensorik könnte auch ermöglichen, dass Bauteile als Diagnosewerkzeug fungieren. Zum Beispiel könnten 3D-gedruckte selbstsensorische Orthesen- oder Prothesenbauteile Patienten leiten und wertvolle Informationen an Ärzte bezüglich Spannungsverteilung und Bewegungsmustern liefern.

Forschungspartner

Brightlands Materials Center ist ein unabhängiges Forschungszentrum, gegründet von der Netherlands Organisation for applied scientific research TNO (Den Haag) und der Provinz Limburg. Es unterstützt Innovation in der Industrie mit starkem Anwendungsfokus und bietet dedizierte Vertragsforschung und Teilhabe, einschließlich einer Forschungsroadmap zu 3D-gedruckten selbstsensorischen Composites.

Anisoprint ist Erfinder des Anisoprinting – der Technologie für Design und Produktion optimaler Composite-Strukturen durch kontinuierliche Faser-3D-Ablage. Das Unternehmen fertigt 3D-Drucker, Materialien (basierend auf Carbon- und Basaltfasern) und Software für die Produktion anisoprinteter Composite-Bauteile, um Wissenschaftlern zu helfen, Forschungsprobleme auf neue, effektivere Weise zu lösen und Fertigungsunternehmen zu ermöglichen, ihre Kosten zu senken.