Ziel der Entwicklung
Die Motivation für dieses Projekt ergab sich aus der hohen industriellen Nachfrage nach innovativen Sensortechnologien, die vor allem auch für kleine und mittelständische Unternehmen einen signifikanten Mehrwert schaffen können. In einer Wirtschaft, die durch volatile Märkte, gestörte Lieferketten und hohe Rohstoffpreise zusätzlich unter Druck steht, bietet der Einsatz eines positionsdetektierenden piezoelektrischen Fasersensors ein enormes Potenzial zur Verbesserung der Produktsicherheit und der vorausschauenden Wartung. Die Corona-Pandemie hat gezeigt, wie empfindlich Produktionsprozesse gegenüber externen Störungen sind – dabei wird klar, dass Unternehmen dringend verlässliche und präzise Sensorik benötigen, um ungeplante Ausfälle zu vermeiden und die Sicherheit ihrer Anlagen zu gewährleisten.
Der wirtschaftliche Impuls zur Entwicklung des Sensors kam insbesondere von der Notwendigkeit, den bestehenden Produkten eine höhere Wertschöpfung zu verleihen und neue Marktsegmente zu erschließen. Bisherige Sensortechnologien, die Schwingungen, Impulse oder statische Belastungen messen, stießen an ihre Grenzen, weil sie lediglich über eine matrixförmige Anordnung eine begrenzte Ortsauflösung bieten konnten. Dies birgt ein erhebliches wirtschaftliches Risiko, da die präzise Lokalisierung von mechanischen Beanspruchungen, beispielsweise in der Stoßmessung, bei Schwingungsüberwachung im Structural Health Monitoring oder in Smart Textiles, bislang unzureichend umgesetzt werden konnte. Solche Einschränkungen können nicht nur zu ineffizienten Wartungsprozessen führen, sondern im Ernstfall auch gravierende Sicherheitsprobleme verursachen, wie etwa im Bauwesen, bei Erdbeben oder in der Automobilindustrie, wo Bauteilversagen verheerende Folgen haben kann. Durch die Integration in verschiedene Anwendungsbereiche können Hersteller und Betreiber von Industrieanlagen, Bauwerken oder sogar tragbaren Geräten ihre Systeme kontinuierlich überwachen und frühzeitig auf potenzielle Schwachstellen hinweisen. Dies führt zu einer optimierten Instandhaltung, minimiert Stillstandszeiten und steigert langfristig die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der gesamten Produktionskette.
Vorteile und Lösungen
Im Zentrum des Lösungsansatzes steht die Entwicklung eines innovativen, filamentförmigen piezoelektrischen Sensors, der als Positionsdetektor zur präzisen Lokalisierung impulsförmiger mechanischer Anregungen fungiert – unabhängig von der Faserlänge. Der Sensor weist einen koaxialen Aufbau mit drei Schichten auf: einem Innenleiter, einer mittleren piezoelektrischen Funktionsschicht und einem Außenleiter. Bei mechanischer Belastung an einem bestimmten Punkt generiert die piezoelektrische Schicht elektrische Ladungen, wodurch sich an der angeregten Stelle zwei Teilkondensatoren mit unterschiedlicher Länge und Kapazität bilden. Diese Unterschiede in den Lade- und Entladeeigenschaften ermöglichen die exakte Bestimmung des Ortes der Anregung.
Der Entwicklungsprozess begann mit der theoretischen Konzeptualisierung unter Berücksichtigung des koaxialen Aufbaus als Grundlage für eine präzise Ortungsfunktion. Anschließend erfolgten die Materialauswahl und Integration eines geeigneten piezoelektrischen Materials. Mithilfe der Bi-Komponentenschmelzspinntechnologie konnten piezoelektrische Funktionsfasern fehlerfrei hergestellt werden, wobei Längen von bis zu 4 m erreicht wurden. Eine anschließende Polarisierung, durchgeführt mittels Anlegen einer elektrischen Spannung von 8 kV über einen Zeitraum von 60 Sekunden, aktivierte die piezoelektrischen Eigenschaften, sodass in Laborversuchen eine Positionsauflösung von ± 5 mm sowie die Unterscheidung zweier Impulse mit einer zeitlichen Differenz von minimal 0,1 s demonstriert werden konnten.
Parallel zur Entwicklung der hardwarebasierten Sensorik wurde ein umfassendes Signalverarbeitungskonzept erarbeitet. Die erzeugten elektrischen Impulse werden kontinuierlich aufgezeichnet und analysiert. Die charakteristischen Lade- und Entladevorgänge dienen als eindeutiger Indikator für den exakten Anregungsort. Zusätzlich wurden Umwelteinflüsse sowie potenzielle Störeinflüsse, wie beispielsweise Körperschall, in die theoretische und praktische Bewertung einbezogen.
Ein weiterer wesentlicher Entwicklungsschritt war die Integration des Sensors in verschiedene Anwendungsbereiche. Die Einbettung in textile Systeme erfolgte durch die Anwendung einer speziellen Sticktechnik (Soutachestickerei), die eine nahtlose Integration in das Gewebe ermöglicht und die Funktionalität auch nach mehreren Waschzyklen bei 40 °C gewährleistet. Für den Einsatz in Faserverbundwerkstoffen wurde ein neu entwickeltes Kontaktierungsverfahren (Flachkontakt) zusammen mit zusätzlichen Schutzschichten (Schrumpfschlauch) implementiert, um die Sensoren während des RTM-Prozesses vor mechanischen Beschädigungen zu bewahren. In diesen Anwendungen wurde eine Positionsauflösung von ± 15 mm realisiert, ebenso wie das Erkennen zweier Anregungen mit einer zeitlichen Differenz von minimal 0,5 s, selbst bei Auftreten gedämpfter Schwingungen.
Insgesamt verdeutlicht der strukturierte Entwicklungsprozess, wie durch die Kombination moderner Materialtechnik, innovativer Fertigungsmethoden und fortschrittlicher Signalverarbeitung ein Sensorsystem geschaffen werden kann, das sowohl theoretischen Ansprüchen als auch praktischen Anforderungen gerecht wird. Diese piezoelektrischen Fasersensoren bieten durch ihre präzise Ortsbestimmung einen wesentlichen Beitrag zur Überwachung und vorausschauenden Instandhaltung mechanischer Systeme in diversen Anwendungsbereichen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Zielgruppen und Zielmärkte umfassen Unternehmen aus den Branchen Automobil, Bauwesen, Textil, Maschinenbau sowie Hersteller von Faserverbundwerkstoffen. Internationale Märkte, insbesondere in Europa, Nordamerika und Asien, bieten aufgrund starker Industrie- und Fertigungssektoren ein erhebliches Potenzial. Anwender profitieren von der präzisen Überwachung mechanischer Belastungen, der frühzeitigen Erkennung von Materialermüdungen und der gezielten Lokalisierung von Beschädigungen, wodurch Wartungsintervalle optimiert, Sicherheitsrisiken minimiert und Produktionsausfälle vermieden werden können.
Der Transfer der FuE-Ergebnisse in die Anwenderunternehmen erfolgt über mehrere etablierte Wege: Es bestehen Kooperationen in Form von gemeinsamen Forschungsprojekten und Pilotversuchen, in denen die Sensortechnologie in konkrete industrielle Anwendungen integriert wird. Technologiepartnerschaften, Lizenzmodelle und Netzwerkveranstaltungen befördern die frühe Adaption der Lösung in den Produktionsalltag. Demonstrationsanlagen und Vorzeigeprojekte in verschiedenen Branchen verbessern zudem den Wissenstransfer und erleichtern die Integration der Technologie in bestehende Produktionsprozesse.
Die wirtschaftlichen Effekte für die Einrichtung werden als vielschichtig eingeschätzt. Zum einen wird eine Stärkung der Innovationskraft erreicht, die sich in höheren Fördermitteln und neuen Kooperationen mit Industriepartnern niederschlägt. Zum anderen führt die Weiterentwicklung einer marktgerechten Sensortechnologie zu einem positiven Image als Technologievorreiter, was langfristig den Zugang zu strategisch wichtigen Märkten erleichtert und den Umsatz der Einrichtung steigert. Die Entwicklung kann darüber hinaus Synergien in der regionalen und internationalen Forschungslandschaft fördern und zu einer verbesserten Wettbewerbsposition im Bereich moderner Sensortechnik beitragen.
Bereits existierende Anwendungsbeispiele sind in der Integration der Sensortechnologie in Smart Textiles und Faserverbundwerkstoffe dokumentiert. In Textilien wurde durch spezielle Stickereitechniken eine robuste Einbettung der Sensorfasern erreicht, die auch wiederholten Waschzyklen standhält. In Faserverbundbauteilen wurde ein neu entwickeltes Flachkontakt-System in Kombination mit zusätzlichen Schutzschichten implementiert, wodurch auch in hochdynamischen Fertigungsprozessen eine zuverlässige Funktionalität gewährleistet werden konnte. Diese Pilotprojekte bestätigen die Praxistauglichkeit und den klaren wirtschaftlichen Mehrwert der Technologie.
