Entwicklung von elektromagnetischen Sensoren für ein Structural Health Monitoring (SHM) mittels Simulation

Die Untersuchung der strukturellen Integrität von Verbundwerkstoffbauteilen ist eine komplexe Aufgabe, da sie mehrere verschiedene Versagensarten wie Faserbruch, Rissbildung in der Matrix oder Delamination berücksichtigen muss.

Jeder Ansatz, der die Prüfung und Überwachung von Verbundwerkstoffbauteilen erleichtert, ist daher willkommen. Eine Möglichkeit zur Erkennung von Defekten in Verbundwerkstoffen ist die Einbettung von dünnen Metalldrähten, so genannten Mikrodrähten, in den Verbundwerkstoff.

Durch die Anpassung der elektromagnetischen Eigenschaften dieser Mikrodrähte ist es möglich, sie sehr empfindlich für Veränderungen der sie umgebenden Spannungs- und Belastungsbedingungen zu machen. Die Frage ist nun, wie man diese Veränderungen am effizientesten nachweisen kann.

An diesem Punkt sind elektromagnetische Hochfrequenzsimulationen ein hervorragendes Werkzeug, um Einblicke in die Wechselwirkung zwischen den Mikrodrähten und dem Verbundwerkstoff, in den sie eingebettet sind, zu erhalten. Bei CAE Simulation & Solutions haben wir Altair® Feko® für die systematische Untersuchung von Sensorantennenkonfigurationen und deren Wechselwirkung mit Verbundwerkstoffplatten mit und ohne Mikrodrähte eingesetzt.

Ziel war es, eine Einstellung zu finden, bei der jede Änderung der Mikrodrahtkonfiguration einen maximalen Einfluss auf die Änderung des Signals hat, welches von einem, über die Verbundstoffoberfläche bewegten, Handsensor empfangen wird. Ein solcher Sensor kann aus einer Sende- und einer Empfangsantenne bestehen, die senkrecht zueinander angeordnet sind und parallel zur Verbundstoffoberfläche gehalten werden.

Für jede gegebene Antennenkonfiguration ist die Frequenz des ausgestrahlten Signals der dominierende freie Parameter, der zur Erhöhung des Empfangssignals genutzt werden kann. Je stärker das empfangene Signal ist, desto einfacher ist es, Veränderungen dieses Signals aufgrund von Schäden im Laminat zu erkennen.

Wir haben festgestellt, dass die ursprünglich vorgeschlagene Sendefrequenz von 2,454 GHz für die gestellte Aufgabe nicht optimal war. Durch systematische Simulationsstudien wurde gezeigt, dass das empfangene Signal um drei Größenordnungen gesteigert werden kann, wenn die Sendefrequenz in den MHz-Bereich gesenkt wird. Dieses überraschende und ermutigende Ergebnis wurde dann durch Experimente bestätigt.

Die folgende Abbildung zeigt dieses Ergebnis für einen speziellen Verbundwerkstoff-Coupon mit vier Mikrodrähten auf der Oberseite (rote Linien) bzw. auf der Unterseite (schwarze Linien). Durch die Verringerung der Sendefrequenz vom GHz- auf den MHz-Bereich erhöht sich die „Sichtbarkeit“ der Mikrodrähte drastisch, die als relativer Unterschied zwischen den empfangenen Signalen mit und ohne Mikrodrähte definiert ist.

Die Arbeiten wurden im Rahmen von Horizon Europe (HORIZON-CL5-2021-D5-01) „INFINITE – Aerospace Composites digital sensorized from manufacturing to end-of-life“ durchgeführt.