Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind unter anderem aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften und des einstellbaren Werkstoffverhaltens für komplex belastete Bauteile prädestiniert. Jedoch können unvorhersehbare Schädigungen im Betrieb, wie Impact- oder Crashereignisse, welche nicht erkannt werden, das Ausfallrisiko mit unter Umständen fatalen Folgen erhöhen.
Bei vielen sicherheitsrelevanten Bauteilen wird daher die Entwicklung bauteilintegrierter Messsysteme zur autonomen Ermittlung von Beanspruchungen und Identifikation des Strukturzustands auf Basis von Dehnungsmessungen angestrebt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines derartigen Structural Health Monitoring (SHM) Systems unter Berücksichtigung der speziellen werkstofflichen und messtechnischen Anforderungen. Das Ziel ist die durchgängige Entwicklung und Umsetzung eines dedizierten Kohlenstofffaser-Sensors zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung auf Basis der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie (EZBR).
Auf Basis eines neuartigen Sensorkonzept, welches ein resistives bruchbasiertes Messprinzip an hochsteifen Kohlenstofffasern (CF) zur Verkopplung der Dehnung und elektrisch messbaren Größen erlaubt, werden experimentelle und numerische Arbeiten durchgeführt. Diese umfassen phänomenologische Untersuchungen der Sensitivität des resistiven bruchbasierten Messprinzips, die Realisierung einer ortsaufgelösten Messung mittels der EZBR sowie die Transformation des EZBR-Signals in einen Dehnungsverlauf mittels neuronaler Netze.
Mit Abschluss der Arbeit liegt erstmalig ein EZBR basierter CF-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung vor, welcher hinsichtlich der werkstoffgerechten Integration in FKV sowie dem Einsatz für dynamische Messungen für SHM-Anwendungen ein hohes Potenzial aufweist.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Eine Vielzahl von Schweißverfahren nutzt eine über die Bauteiloberfläche bewegte Wärmequelle mit hoher Leistungsdichte. Das hierdurch erzeugte Temperaturfeld ist stark inhomogen und durch hohe räumliche Gradienten gekennzeichnet. Dies führt ebenso zu einer inhomogenen Dehnungsverteilung im Material, wodurch Werkstofftrennungen bei hoher Temperatur und verbleibende Eigenspannungen nach der Abkühlung hervorgerufen werden können.
In dieser Arbeit wurde das thermisch induzierte Dehnungsverhalten im Bereich des Schmelzbades beim WIG-Schweißen untersucht. Wesentliche Motivation war hierbei die Frage, wie eine Quantifizierung des transienten Dehnungsverhaltens nahe des Schmelzbades im Hochtemperaturbereich erfolgen kann, um ein besseres Verständnis der Heißrissentstehung zu ermöglichen. Hierbei stand jedoch nicht die Heißrissbildung selbst im Mittelpunkt, sondern eine spezifische experimentelle Betrachtung des Dehnungsverhaltens zweier Modellwerkstoffe Reinaluminium Al99,5 und der Nickelbasislegierung Alloy 625 (NiCr22Mo9Nb).
Es erfolgten In-Situ-Experimente durch Neutronenbeugung, die mit konventionellen Dehnungs- und Temperaturmessverfahren verglichen wurden (Bildkorrelation und Thermographie). Ergänzt wurde die Betrachtung durch Ermittlung der Eigenspannungen durch Neutronenbeugung und die inkrementelle Bohrlochmethode.
Die Ergebnisse zeigen, dass durch In-Situ-Neutronenbeugung das elastische Dehnungsfeld beim Schweißen ermittelt werden kann und die Versuchstechnik valide Ergebnisse liefert. Gleichzeitig zeigt sich aber auch die Begrenzung der geringen Ortsauflösung, die durch das große Messvolumen bedingt ist. Die entwickelte Methode zur Temperaturbestimmung aus Beugungsdaten erleichterte die Auswertung des Dehnungsexperiments deutlich.
Aktualisiert: 2023-02-13
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Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind unter anderem aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften und des einstellbaren Werkstoffverhaltens für komplex belastete Bauteile prädestiniert. Jedoch können unvorhersehbare Schädigungen im Betrieb, wie Impact- oder Crashereignisse, welche nicht erkannt werden, das Ausfallrisiko mit unter Umständen fatalen Folgen erhöhen.
Bei vielen sicherheitsrelevanten Bauteilen wird daher die Entwicklung bauteilintegrierter Messsysteme zur autonomen Ermittlung von Beanspruchungen und Identifikation des Strukturzustands auf Basis von Dehnungsmessungen angestrebt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines derartigen Structural Health Monitoring (SHM) Systems unter Berücksichtigung der speziellen werkstofflichen und messtechnischen Anforderungen. Das Ziel ist die durchgängige Entwicklung und Umsetzung eines dedizierten Kohlenstofffaser-Sensors zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung auf Basis der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie (EZBR).
Auf Basis eines neuartigen Sensorkonzept, welches ein resistives bruchbasiertes Messprinzip an hochsteifen Kohlenstofffasern (CF) zur Verkopplung der Dehnung und elektrisch messbaren Größen erlaubt, werden experimentelle und numerische Arbeiten durchgeführt. Diese umfassen phänomenologische Untersuchungen der Sensitivität des resistiven bruchbasierten Messprinzips, die Realisierung einer ortsaufgelösten Messung mittels der EZBR sowie die Transformation des EZBR-Signals in einen Dehnungsverlauf mittels neuronaler Netze.
Mit Abschluss der Arbeit liegt erstmalig ein EZBR basierter CF-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung vor, welcher hinsichtlich der werkstoffgerechten Integration in FKV sowie dem Einsatz für dynamische Messungen für SHM-Anwendungen ein hohes Potenzial aufweist.
Aktualisiert: 2022-12-15
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Für die Messung von Temperatur und Dehnung in Aluminiumgussbauteilen wurden Faser-Bragg-Gitter-(FBG) Sensoren entwickelt und verifiziert. Diese FBG Sensoren wurden schon beim Gießen in das Gussbauteil eingebettet und ermöglichten es, beim Erstarrungsprozess und anschließend im Betrieb der Bauteile zu messen. Die Temperatur-Wellenlänge- Kennlinie von Einzelpunkt-Temperatursensoren wurde bis 800 °C bestimmt, und es wurde ein neues Verfahren zur einfachen Kalibrierung von Multipunkt-Temperatursensoren aus den Daten von Einzelpunkt-Temperatursensoren entwickelt. Hiermit konnte das Erstarrungsverhalten der Aluminiumlegierung ortsaufgelöst vermessen werden. Das mechanische Verhalten der Glasfaser in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 900 °C wurde erstmals mittels regenerierten FBG (RFBG) untersucht und mit verschiedenen Materialmodellen temperaturabhängig beschrieben. Dadurch konnte der Übergang vom elastischen zum viskoelastischen Verhalten der Glasfaser zwischen 600 °C und 700 °C beobachtet werden, weit unterhalb der eigentlichen Glasübergangstemperatur von ca. 1100 °C. Die eingebetteten FBG Sensoren wurden im Betrieb der Gussbauteile unter Temperatur- und Dehnungseinfluss zur Überwachung eingesetzt und konnten mithilfe von analytischen Modellen für den Einsatz evaluiert werden.
Aktualisiert: 2022-09-08
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Ziel des Projektes war es, kostengünstige und langlebige Sensoren zur gezielten Dehnungserfassung bereitzustellen und so Leichtbaustrukturen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) zu überwachen.
Ein großes Lösungspotential bieten Filamentsensoren auf der Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL). Mit ihrer hohen Standfestigkeit gegenüber zyklischer Dauerbelastung bei gleichzeitig hoher elastischer Dehnbarkeit sowie einer dem Dehnungsmessstreifen (DMS) ähnlichen messtechnischen Umsetzbarkeit vereinen sie gleich mehrere Vorteile gegenüber anderen Systemen. Neben offenen Fragestellungen in Bezug auf das physikalische Verständnis für die Funktionsweise eines entsprechenden FGL-Filamentsensors in einer FVK-Struktur (Anbindung, Materialauswahl, etc.), wurden vor allem anwendungsbezogene Fragestellungen, wie die Konzeption und Umsetzung von konkreten Messelementen, deren Integration und das Handling während der FVK-Fertigung sowie die Messgenauigkeit unter Einsatzbedingungen eingehend untersucht.
Der Proof-of-Concept für die Technologie wurde erbracht. Die elastische Dehnbarkeit (bis 6 %), der k-Faktor (über 5) und die Ermüdungseigenschaften wurden dabei, als wesentliche Kennwerte für Dehnungssensoren, umfassend charakterisiert und sind im Vergleich zu DMS deutlich besser. Da die bisherigen Ermüdungsversuche bei 106 Zyklen (bei 0,8 % Dehnung) abgebrochen wurden, stellen die bisher ermittelten Werte noch nicht die obere Grenze dar, liefern aber bereits einen Nachweis für die bessere Ermüdungsbeständigkeit im Vergleich zu DMS. Die FGL-Sensorik zeichnet sich beim Vergleich zu DMS und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren insbesondere durch die deutlich bessere elastische Dehnbarkeit im Vergleich zu DMS aus. Gleichzeitig sind FGL-Sensoren sensitiver als beide Vergleichssensoren.
Aktualisiert: 2022-02-17
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Among various nanofillers, carbon nanotubes (CNTs) have attracted a significant attention due to their excellent physical properties. Incorporation of a very low amount of CNTs in polymer matrices enhances mechanical, thermal and optical properties of conductive polymer nanocomposites (CPNs) tremendously. For mechanical sensors, the piezoresistive property of CNTs/polymer nanocomposites exhibits a great potential for the realization of stable, sensitive, tunable and cost-effective strain sensors. Achieving homogeneous CNTs dispersion within the polymer matrices, understanding their complex piezoresistivity and conduction mechanisms, as well as the response of the nanocomposites under humidity and temperature effects, is highly required for the realization of piezoresistive CNTs/polymer based nanocomposites.
This research primarily aims to synthesize and characterize CNTs/polymer based strain sensitive nanocomposites, which are cost-effective, applicable on both rigid and flexible substrates and require a non-complex fabrication process. A comprehensive understanding of the complex conduction and piezoresistive mechanisms of CNTs/polymer nanocomposites and their responses under humidity and temperature effects is another purpose of this thesis.
For this purpose, synthesis and complex electromechanical characterization of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs)/epoxy nanocomposites are realized. In order to realize strain sensors for the strain range up to 1 % the use of epoxy is focused due to its good adhesion, dimensional stability, and good mechanical properties. The nanocomposites with up to 1 wt.% MWCNTs are synthesized by a non-complex direct mixing method and the final nanocomposites are deposited on flexible Kapton and rigid FR4 substrates and their corresponding morphological, electrical, electromechanical, as well as the response of the nanocomposite under humidity and temperature influences, are examined. The deformation over the sensor area is tested by digital image correlation (DIC) under quasi-static uniaxial tension. Quantitative piezoresistive characterization is performed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) over a wide range of frequencies. Further, dispersion quality of MWCNTs in the epoxy polymer matrix is monitored by scanning electron microscopy (SEM). Additionally, in order to tailor the piezoresistivity of the strain sensor, an R-C equivalent circuit is derived based on the impedance responses and the corresponding parameters are extracted from the applied strain. Obtained SEM images confirm that MWCNTs/epoxy nanocomposites with different MWCNTs concentrations have a good homogeneity and dispersion. Atomic force microscopy (AFM) analysis show that the samples have relatively good surface topography and fairly homogeneous CNTs networks. Higher sensitivity is achieved in particular at the concentrations close to the percolation threshold. A non-linear piezoresistive behavior is observed at low MWCNTs concentrations due to the dominance of tunneling effect. The strain sensitive nanocomposites deposited
on FR4 substrates present high-performance strain sensing properties, including high sensitivity, good stability, and durability after cyclic loading and unloading. In addition, MWCNTs/epoxy nanocomposites show quite a small creep, low hysteresis under cyclic tensile and compressive loadings and fast response and recovery times. Nanocomposites provide an opportunity to measure 2-D strain in one position including amplitude and direction for complex configuration of structures in real-time systems or products. In contrast to present solutions for multi-directional strain sensing, MWCNTs/epoxy based nanocomposites give promising results in terms of durability, easy-processability, and tunable piezoresistivity. Unlike commercially-available approaches for crack/damage identification, MWCNTs/epoxy nanocomposites are capable of detecting the applied crack directly over a certain area. From the humidity influence, it has been found that resistance of nanocomposites increases with the increase of humidity exposure due to swelling of the polymer. Temperature investigations show that MWCNTs/epoxy nanocomposites give negative temperature coefficient (NTC) response due to thermal activation of charge carriers and the temperature sensitivity increases with the increase of filler concentration. The proposed approach can be further developed by combining differently fabricated sensors for realizing a compact structural health monitoring system or multi-functional sensor, where pressure, strain, temperature, and humidity can be monitored simultaneously.
Aktualisiert: 2018-04-03
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Dieser Klassiker unter den Christiani-Lehrbüchern vermittelt die Grundlagen der Mess- und Regelungstechnik. Alle wichtigen Teilbereiche dieses für viele Berufe grundlegenden Themas, werden einfach und verständlich vermittelt. Mit vielen Beispielen schafft der Autor den Bezug zur Praxis.
Aktualisiert: 2019-11-15
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