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Kunststoff überwacht sich selbst

Kunststoffteile wie Windkraftflügel oder Dichtungen signalisieren ihre mechanische Belastung
Kunststoff überwacht sich selbst

Ein neuer Polymer-Metall-Werkstoff mit Sensoreigenschaften ermöglicht die Fertigung von Kunststoffbauteilen, die sich selbst überwachen. Das Material lässt sich im Spritzguss oder in der Extrusion verarbeiten und ist vielfältig einsetzbar.

Der neue Polymer-Metall-Werkstoff enthält einen Metall-Anteil von bis zu 90 Gewichtsprozent. Wird das Bauteil gedehnt oder gedrückt, verhält es sich ähnlich wie ein Dehnmessstreifen und variiert seinen elektrischen Widerstand. Und zwar so, wie die Forscher am Fraunhofer Ifam in Bremen den Mechanismus einstellen: bei Bedarf auch „feinfühlig“, so dass die Widerstandsänderung entlang eines Gradienten verläuft. Dann kann das Bauteil sogar Auskunft über das Maß der mechanischen Belastung geben.

Mit dieser Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Ifam werden utopisch anmutende Anwendungen realisierbar wie etwa ein Fensterrahmen, dessen Dichtung sich über zu hohe Windlast beschwert. Oder elektrische Schaltfunktionen, ausgelöst durch ein Kunststoffteil, oder schlichtweg Überwachungen. „Bei uns sind viele Projekte angelaufen, die in visionäre Richtung gehen“, sagt Arne Haberkorn, Ifam-Projektleiter für Kompositentwicklungen. Etwa die:
Wenn der Sturm bläst, müssen Windräder zeigen, was sie aushalten können. Tonnenschwer stemmt sich der Wind gegen die Mühlen. Ob die Komponenten dabei über die Maßen beansprucht werden, misst man heute meist mit Sensoren, die recht aufwändig in das Bauteil eingearbeitet oder auf seine Oberfläche geklebt werden. Sie registrieren Zug- oder Druckbelastungen in der Regel aber nur in einem kleinen Bereich. Die Ifam-Enwicklung vereinfacht die Inspektion solch großer Komponenten jetzt deutlich. Der sensorische Komposit lässt sich bei der Herstellung direkt in ein Kunststoffbauteil integrieren und erfüllt zugleich konstruktive Anforderungen. Außerdem lässt er sich gut verarbeiten, unter anderem in Extrudern oder auch in Spritzgießmaschinen.
Beim Spritzguss wird der erwärmte flüssige Kunststoff in eine Form gepresst, in der er sofort aushärtet. Des Weiteren kann das Material als eine Art Matte auf große Flächen laminiert werden. In Zukunft wollen die Fraunhofer-Forscher den leitfähigen Kunststoff über Düsen als viskose Flüssigkeit auch auf geometrisch komplexe Oberflächen auftragen.
Das neue Verfahren funktioniert mit diversen Kunststoffmaterialien, mit Polypropylen genauso wie mit Polyamid. „Unser Polymer-Metall-Kompositmaterial lässt sich zu einer Fülle von Bauteilen verarbeiten, zu besonders festen und hitzeresistenten oder aber auch zu weich-flexiblen Werkstücken“, sagt Haberkorn. Dass die Methode funktioniert, haben die Forscher inzwischen mit diversen Prototypen bewiesen. Derzeit sind sie auf der Suche nach potenziellen Anwendern aus der Industrie. os
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