Final Report : FRP embedded micro-sensors on multifunctional substrates for curing process control
In order to save time, energy and costs in the production of fiber-reinforced plastics, as much information as possible is needed about what is happening during the manufacturing process. One of several ways of obtaining this information is to integrate film sensors into the manufactured components. These consist of a thermoplastic film on which metallic electrodes are structured. Integration into the component entails various advantages and disadvantages. On the one hand, component-integrated sensors can be used more flexibly than mold-integrated sensors and allow a higher spatial resolution of the curing processes. On the other hand, they become part of the product during production and should therefore be simple and inexpensive as well as not compromise load capacity. From a mechanical point of view, film sensors primarily pose a delamination risk. The decisive influencing factor is the choice of thermoplastic carrier material. Sensors based on the frequently used substrate material polyimide entail a considerable risk of delamination. The influence of polyetherimide, on the other hand, is far less damaging. Some tests show that polyetherimide-based sensors even improve individual strength properties. In addition to the carrier material, the metallic sensor structures also have an influence on the load capacity. For the design of minimally invasive sensors, the lowest possible degree of metallization should be aimed for. The most common design for foil sensors for cure monitoring are so-called interdigitated electrodes, which form an electrical capacitance whose impedance is influenced by the direct environment. In variothermal manufacturing processes, one challenge is to separate the influence of temperature from that of the degree of cure. The impedance information measured with integrated sensors must be processed to remove the frequency dependence and the influences of temperature and sensor geometry from the data. For this purpose, an algorithm was developed in the WG Sinapius based on extensive resin characterization, which calculates the degree of cure from measured impedance spectra and measured temperature data. The use of an additional temperature sensor is therefore indispensable for monitoring variothermic curing processes. For this purpose, WG Dietzel has developed an integrated multi-sensor node that measures the temperature information, the dielectric properties and additionally the strain state on a single film sensor. In addition to determining the degree of cure, the sensor data also offer potential for determining the fiber volume content or detecting resin mismatch.
Um bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen Zeit, Energie und Kosten sparen zu können, werden möglichst viele Informationen über das Geschehen während des Herstellungsprozesses benötigt. Eine von mehreren Möglichkeiten, diese Informationen zu erhalten, ist die Integration von Foliensensoren in die hergestellten Bauteile. Diese bestehen aus einer thermoplastischen Folie, auf der metallische Elektroden strukturiert sind. Die Integration in das Bauteil bringt verschiedene Vor- und Nachteile mit sich. Einerseits sind bauteilintegrierte Sensoren flexibler einsetzbar als werkzeugintegrierte Sensoren und erlauben eine höhere räumliche Auflösung der Aushärtungsprozesse. Auf der anderen Seite werden sie während der Produktion Teil des Produkts und sollten daher einfach und kostengünstig sein sowie die Belastbarkeit nicht beeinträchtigen. Aus mechanischer Sicht bergen Foliensensoren vor allem ein Delaminationsrisiko. Der entscheidende Einflussfaktor ist die Wahl des thermoplastischen Trägermaterials. Sensoren auf Basis des häufig verwendeten Substratmaterials Polyimid bringen ein erhebliches Delaminationsrisiko mit sich. Der Einfluss von Polyetherimid ist dagegen weit weniger schädlich. Einige Versuche zeigen, dass Sensoren auf Polyethermidbasis sogar einzelne Festigkeitseigenschaften verbessern. Neben dem Trägermaterial haben auch die metallischen Sensorstrukturen einen Einfluss auf die Belastbarkeit. Für das Design von minimalinvasiven Sensoren sollte ein möglichst geringer Metallisierungsgrad angestrebt werden. Das gängigste Design für Foliensensoren zur Aushärtungsüberwachung sind sogenannte Interdigitalelektroden, die eine elektrische Kapazität bilden, deren Impedanz von der direkten Umgebung beeinflusst wird. Bei variothermen Fertigungsprozessen besteht eine Herausforderung darin, den Einfluss der Temperatur von dem des Aushärtungsgrades zu trennen. Die mit integrierten Sensoren gemessenen Impedanzinformationen müssen verarbeitet werden, um die Frequenzabhängigkeit und die Einflüsse von Temperatur und Sensorgeometrie aus den Daten zu entfernen. In der AG Sinapius wurde zu diesem Zweck auf Grundlage einer umfassenden Harzcharakterisierung ein Algorithmus entwickelt, der aus gemessenen Impedanzspektren und gemessenen Temperaturdaten den Aushärtegrad berechnet. Für die Überwachung variothermer Aushärtevorgänge ist daher der Einsatz eines zusätzlichen Temperatursensors unerlässlich. Zu diesem Zweck hat die AG Dietzel einen integrierten Multisensorknoten entwickelt, der die Temperaturinformation, die dielektrischen Eigenschaften und zusätzlich den Dehnungszustand auf einem einzigen Foliensensor misst. Neben der Ermittlung des Aushärtegrades bieten die Sensordaten auch Potential zur Bestimmung des Faservolumengehalts oder zur Erkennung von Harzfehlanmischungen.
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