Was sind intelligente Verbundwerkstoff-Strukturen?

Intelligente Werkstoffe können effektiv für die Entwicklung leichter, tragfähiger und intelligenter Verbundstrukturen sowie für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, die von der Geräusch- und Schwingungsdämpfung über die mechanische Kraftübertragung bis hin zur Überwachung des Strukturzustandes reichen.

Um eine intelligente Verbundstruktur definieren zu können, müssen wir zunächst definieren, was eine intelligente Struktur ist. Eine intelligente Struktur ist eine physische Struktur, die drei Hauptmerkmale aufweist:

• Ein bestimmtes Ziel,
• Mittel und Notwendigkeit, diesen Zweck zu erreichen,
• Sowie eine ausführbare Funktion.

Damit eine Struktur als intelligent gelten kann, muss sie außerdem die folgenden Grundkomponenten aufweisen:

• Datenerfassung (tactile sensing): Erfassung der erforderlichen Rohdaten, die für eine angemessene Kontrolle und Überwachung der Struktur benötigt werden.
• Datenübertragung (sensing nerves): Weiterleitung der Rohdaten an die lokalen und zentralen Steuereinheiten
• Befehls- und Kontrollzentrum (brain): Analyse der Daten, Schlussfolgerungen und Festlegungen der spezifischen Maßnahmen
• Datenanweisungen (motion nerves): Übermittlung der Entscheidungen und der zugehörigen Anweisungen an die einzelnen Einheiten der Struktur
• Steuergeräte (muscles): Handeln durch Auslösen der Steuergeräte/Einheiten

Nachdem wir das nun hinter uns gebracht haben, lassen Sie uns eine intelligente Verbundstruktur definieren. Einfach ausgedrückt, ist eine intelligente Verbundsstruktur eine Trägerstruktur aus Verbundwerkstoff, in die die verschiedenen oben genannten Grundkomponenten eingebettet sind. Es handelt sich im Wesentlichen um einen Verbundwerkstoff, in den intelligente Materialien integriert sind, um ihn funktional zu machen.
Um eine intelligente Verbundstruktur zu schaffen, werden Messwandler und ein elektrisches Leiternetz auf die zu kontrollierende Struktur geklebt, die Elektronik befindet sich hierbei an der Außenseite der Struktur.

Schwingungsdämpfung

Mechanische Schwingungen können sich negativ auf Systeme auswirken, indem sie zu Ausfällen durch Ermüdung, zu Vibrationen und Lärm führen, die den Kundenkomfort beeinträchtigen, oder indem sie die Betriebsbedingungen von Systemen im Bereich der Feinmechanik einschränken. Das Praktische an intelligenten Verbundwerkstoffstrukturen ist, dass sie ihre eigenen Eigenschaften verändern können, um ihr Schwingungs- oder vibroakustisches Verhalten so zu modifizieren, dass die oben genannten Nachteile vermieden werden.

Das eingebettete Messwandlernetz kann die Qualität oder die Alterung der Wirtskompositstruktur über einen bestimmten Zeitraum hinweg kontrollieren. Das bedeutet, dass das Netz in der Lage ist, einen Faserbruch oder andere Störungen zu erkennen. Die intelligente Verbundstruktur ist besonders hilfreich bei der Lokalisierung von Fehlern oder sogar bei der Vorhersage von Fehlereignissen. Gerade Risse in Verbundstrukturen liegen oftmals hinter einer Lackschicht und sind somit unsichtbar, obwohl sie einen enormen Einfluss auf die weitere Steif- oder Festigkeiten haben, was große Risiken birgt.

Aufgrund des hohen Entwicklungsstandes der Energy Harvesting (EH) Geräte und –Technologien ist es möglich, diese EH-Geräte in die Verbundsstruktur zu integrieren und elektrische Energie aus Schwingungsenergie zu gewinnen. Dies führt, wie oben, zu einer Dämpfung plus den zusätzlichen Nutzen der Energiegewinnung.

Wir freuen uns, dass Sie sich die Zeit genommen haben, unseren Blogbeitrag darüber zu lesen, was intelligente Verbundwerkstoffstrukturen sind. Wenn Sie darüber nachdenken, in diese Richtung zu studieren, werfen Sie einen Blick auf unseren Masterstudiengang Lightweight Engineering & Composites.

An der PFH stellen wir sicher, dass Sie eine qualitativ hochwertige Ausbildung erhalten und gleichzeitig das Beste aus Ihrem Auslandsstudium machen!