Die Strukturüberwachung (SHM) auf der Basis von geführten Wellen (GW) stellt zahlreiche Herausforderungen in verschiedenen Disziplinen. Eine zentrale Herausforderung ist die schnelle und kosteneffiziente Integration des SHM-Systems in Verbundstrukturen, bei gleichzeitiger Sicherstellung der Leistungsfähigkeit unter aeronautischen Betriebsumgebungsbedingungen (AOEC) und unter verschiedenen mechanischen Testbedingungen. Diese Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung einer effizienten Methode zur Integration von piezokeramischen Wandlern (PCTs) in thermoplastische Verbundwerkstoffe (TPC), die besonders hohe Integrationsanforderungen stellen. Um dieses Ziel zu erreichen, beinhaltet die vorgeschlagene Methode zwei Hauptstrategien. Als erstes werden statt Klebstoffen auf Epoxidharzbasis thermoplastische Folien (TPFs) verwendet, um PCTs in TPC-Strukturen zu integrieren. Dieser Ansatz ermöglicht einen schnellen, wiederholbaren und reparierbaren Klebeprozess. Als zweites werden Schaltungen mit metallischen und nicht-metallischen Tinten 3D-gedruckte , um eine signifikanten Gewichtsreduktion des SHM-Systems zu erzielen. Die Kombination dieser Ansätze kann eine leichte SHM-Schicht mit integrierten PCTs und gedruckten Schaltungen ergeben, die potenziell schnell mit halb- oder vollautomatisierten Verfahren auf TPC-Strukturen aufgebracht werden kann. TPFs werden verwendet, um spezielle PCTs, so genannte Akustik-Ultraschall-Kompositwandler (AUCTs), mit Kohlefaser-Polyetheretherketon-Verbundwerkstoffen zu verbinden. Diese Methode bietet gegenüber Epoxidklebstoffen Vorteile wie leichtere Reparierbarkeit, kürzere Zykluszeiten, einfache und unbegrenzte Lagerfähigkeit sowie Schweißbarkeit. Die verklebten AUCTs wurden unter AOEC-Bedingungen getestet. Die strukturellen Eigenschaften aller unter AOEC getesteten AUCTs zeigten nur geringfügige Veränderungen, was darauf hindeutet, dass keine signifikante Degradation der AUCTs oder der Klebeschicht vorliegt. Vergleiche zwischen AUCTs, die mit dem Referenz-Epoxidklebstoff und ausgewählten TPFs in AOEC-Tests verklebt wurden, zeigten, dass einige TPFs dem Epoxidklebstoff überlegen waren, während andere eine ähnliche Leistung zeigten. Mechanische Leistungstests durch statische Biege- und dynamischen Ermüdungstests ergaben, dass mit TPFs geklebte AUCTs eine vergleichbare, wenn nicht sogar bessere kritische Dehnung aufwiesen als die mit Referenz-Epoxid geklebten. Die Ermüdungstests zeigten bei den meisten AUCTs nur geringfügige Veränderungen, unabhängig davon, ob sie mit Epoxid oder TPFs verklebt waren. Im Vergleich zu den aktuellen Klebstoffen auf Epoxidharzbasis bietet der vorgeschlagene Ansatz also eine einfachere Installation sowie eine effizientere und reparierbare Verklebungsmethode. Um die Einschränkungen des Vakuumprozesses zu überwinden, wird eine neuartige, hocheffiziente und schnelle Klebetechnik vorgeschlagen. Dieser innovative Ansatz nutzt den Joule-Effekt, um die zum Schmelzen der TPF erforderliche Wärme zu erzeugen, wodurch der Einsatz von Öfen oder alternativen Heizmethoden überflüssig wird. Außerdem wird der Materialverbrauch minimiert und die Wärme lokal angewendet, wodurch die negativen Auswirkungen der thermischen Degradation auf die Struktur verringert werden. Prozessstudien und Differenz-Scanning-Kalorimetrie -Analysen wurden durchgeführt, um das Prozessfenster zu bestimmen und die Auswirkungen kontrollierter Aufheiz- und Abkühlrampen auf die Eigenschaften der TPFs zu untersuchen. Nach erfolgreichem Kleben der AUCTs wurden mechanische Leistungstests durchgeführt, die zufriedenstellende kritische Dehnungen für die meisten AUCTs ergaben. Ermüdungstests zeigten jedoch, dass nur einige TPF Klebungen erfolgreich waren, während andere die Erwartungen nicht erfüllten. Diese Forschung konzentriert sich als Zweites auf die Entwicklung von leichten Schaltungen für die Übertragung von GW-Signalen mittels 3D-Druck mit Silber-Tinte, mit und ohne kohlenstoffbasierte Nanopartikel (Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphen-Nanoplättchen), sowie mit Epoxidharz, das mit kohlenstoffbasierten Nanopartikeln dotiert ist. Mit minimalem Verlust der Signalqualität zeigten Charakterisierungs- und Funktionstests vielversprechende Ergebnisse für die Silber-Tinten-Schaltungen. Mit Nanopartikeln dotierte Epoxid-Schaltungen übertrugen ebenfalls die GW-Signale, allerdings mit geringerer Leitfähigkeit und Signalamplitude. Die meisten Schaltungen, die aus beiden Tintenarten hergestellten wurden, hielten der Ermüdungsbelastung mit nur geringfügigen Veränderungen stand. Schließlich wurde die Herstellung leichter Folien mit integrierten gedruckten Schaltungen sowie AUCTs und deren Integration in TPC-Strukturen durch induktive Erwärmung demonstriert, welches eine schnelle und effiziente Integration von SHM-Systemen in TPCs durch halbautomatisierte Prozesse ermöglicht.
Tasdeeq Sofi (2025) studied this question.