Bauteilintegrierte Überwachung variothermer Faserverbundfertigungsprozesse mittels minimalinvasiver Foliensensoren auf löslichem Substrat

Um bei der Fertigung von Faserverbundkunststoffen Zeit, Energie und Kosten sparen zu können, werden möglichst viele Informationen über die Vorgänge während des Fertigungsprozesses benötigt. Die Integration von Foliensensoren in die hergestellten Bauteile ist eine von mehreren Möglichkeiten, diese Informationen zu erhalten. Foliensensoren bestehen aus einer thermoplastischen Folie, auf der metallische Elektroden strukturiert sind. Ihre Integration in das Bauteil bringt unterschiedliche Vor- und Nachteile mit sich. Einerseits sind bauteilintegrierte Sensoren flexibler einsetzbar als werkzeugintegrierte Sensoren und ermöglichen eine feinere räumliche Auflösung der Aushärtevorgänge. Andererseits werden sie bei der Fertigung zum Produktbestandteil. Sie sollten deswegen einfach und kostengünstig sein, sowie die Lasttragfähigkeit nicht beeinträchtigen. Aus mechanischer Sicht bringen Foliensensoren vor allem ein Delaminationsrisiko mit sich. Die Wahl des thermoplastischen Substratmaterials macht dabei den entscheidenden Einflussfaktor aus. Während Sensoren auf Basis des häufig verwendeten Materials Polyimid ein erhebliches Delaminationsrisiko mit sich bringen, ist der Einfluss von Polyetherimid weit weniger schädlich oder verbessert sogar einzelne Festigkeitskennwerte. Neben dem Substratmaterial wirken sich auch die metallischen Sensorstrukturen auf die Belastbarkeit aus. Zur Gestaltung minimalinvasiver Sensoren sollte ein möglichst geringer Metallisierungsgrad angestrebt werden. Das verbreitetste Design für Foliensensoren zur Aushärteüberwachung sind sogenannte Interdigitalelektroden, die eine elektrische Kapazität bilden, deren Impedanz von der direkten Umgebung beeinflusst wird. In variothermen Fertigungsprozessen besteht eine Herausforderung darin, den Einfluss der Temperatur von dem des Aushärtegrades zu trennen. Die an integrierten Sensoren gemessenen Impedanzinformationen müssen dazu eine Verarbeitung durchlaufen, in deren Verlauf die Frequenzabhängigkeit und die Einflüsse von Temperatur und Sensorgeometrie aus den Daten entfernt werden. Für eine variotherme Aushärteüberwachung ist daher die Verwendung eines zusätzlichen Temperatursensors unverzichtbar. Die Sensordaten bieten darüber hinaus Potential für die Ermittlung des Faservolumengehalts oder zur Detektion von Harzfehlanmischungen.