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Ausgewählte Ausgabe: 04-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Wie Nanopartikel mechanische Bauteile sicherer machen

Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen sind leicht und stabil. Doch die Folgen einer kritischen Belastung sind bislang nur schwer und mit erheblichem Aufwand feststellbar. Einen Ausweg bietet der Einsatz fluoreszierender Nanopartikel. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Elektronische Nanosysteme (ENAS) und der Technischen Universität Chemnitz entwickeln mit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Bundesexzellenzcluster „Merge“ eine Mehrschichtfolie. Deren fluoreszierende Nano-beschichtung ändert unter Druckbelastung temporär ihre Helligkeit. So lassen sich kritische Belastungen im Rahmen üblicher Wartungen mit bloßem Auge erkennen. Dazu werden verschiedene Demonstratoren auf dem Gemeinschaftsstand des IVAM Fachverband für Mikrotechnik der Hannover Messe präsentiert.


Wie welkes Blattwerk hängen die Rotorblätter der Windkraftanlage an der Gondel. War es der starke Wind, der Mitte Februar 2016 im nördlichen Emsland wehte? Der Besitzer ist unsicher. Seine anderen Windkraftanlagen seien unbeschädigt geblieben, sagte er der Zeitung.
Möglicherweise hätte der Vorfall, bei dem niemand verletzt wurde, vermieden werden können. Doch der Aufwand wäre hoch gewesen. „Natürlich lassen sich Sensoren einsetzen“, sagt Dr. Jörg Martin vom Chemnitzer Fraunhofer-Institut ENAS. „Doch sie müssen an der richtigen Stelle platziert und mit Energie versorgt werden. Auch müssen die Informationen, die sie liefern, kontinuierlich erfasst und analysiert werden.“

Bild 1 Der rechte Bildausschnitt zeigt eine integrierte Sensorschicht in einem Leichtbaumaterial (ein Rotorblatt aus Faserverbundkunststoff) mit separater piezoelektrischer Schicht (goldfarben). Links ist eine Detailaufnahme der Sensorschicht zu sehen: im Ausgangszustand (rote Fläche) und im belasteten Zustand (sichtbares „Merge“-Logo).

Bild 1
Der rechte Bildausschnitt zeigt eine integrierte Sensorschicht in einem Leichtbaumaterial (ein Rotorblatt aus Faserverbundkunststoff) mit separater piezoelektrischer Schicht (goldfarben). Links ist eine Detailaufnahme der Sensorschicht zu sehen: im Ausgangszustand (rote Fläche) und im belasteten Zustand (sichtbares „Merge“-Logo).


Für bestimmte Einsatzzwecke vielversprechender erscheint ihnen daher der Weg, mittels einer fluoreszierenden Mehrschichtfolie kritische Belastungen für das bloße Auge sichtbar zu machen. „Eine solche Dünnschichtsensorik kommt ohne Energieversorgung aus und erlaubt die Kontrolle größerer Flächen“, ergänzt Martin Möbius vom Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz.

Der prinzipielle Aufbau der Sensorik

Der Aufbau der Sensorfolie ist im Prinzip recht einfach: Auf eine ein- fache PET-Folie, auch Substratfolie genannt, wird eine spezielle Schicht aufgetragen: die Sensorschicht. „Diese Schicht, das Herzstück unserer Entwicklung, enthält nanoskopisch große Halbleiterpartikel. Derzeit verwenden wir noch Cadmiumselenid-Quantum-Dots, ein stark fluoreszierendes Material. Zudem fällt der Kontrast bei Änderungen der Fluoreszenz gut sichtbar aus“, erklärt Martin. Da das Schwermetall Cadmium aber keinen allzu guten Ruf genießt, experimentiert das fünfköpfige Projektteam auch mit Indiumphosphid. „Allerdings fallen die Fluoreszenzintensität und damit auch die Sichtbarkeit der Hell-Dunkel-Differenzen hier kleiner aus“, ergänzt Martin.
Die Sensorschicht wird mit piezoelektrischen Elementen verbunden. „Konkret setzen wir dünne Keramikschichten ein“, sagt Möbius. „Wir experimentieren aber auch mit Polyvinylidenfluorid, also PVDF-Folie.“ Bei einer Verformung wie sie bereits bei einem stärkeren Schlag oder Stoß auftritt, generiert die Piezoschicht elektrische Ladungen, die in die Sensorschicht – genauer gesagt: in die Nanopartikel – abgeleitet werden. Diese extrem geringen Ströme im Nanoamperebereich bewirken eine lokale Verringerung der Quantum-Dot-Fluoreszenz, was letztlich als optischer Kontrast mit bloßem Auge sichtbar ist.
Überhaupt fällt der Aufbau der Dünnschichtsensorik in der Realität komplizierter aus als hier beschrieben: weil mehrere aufeinander abgestimmte Schichten für den Ladungstransport hinzukommen und auch weil die Piezowandler mit den Elektroden der Sensorfolie, das heißt der Quantum-Dot-Schicht, verbunden werden müssen. Über die Zahl, Platzierung und Art der Ladungstransportschichten wollen die Forscher aber derzeit keine Auskunft geben.
Sicher ist jedoch: Die Mehrschichtfolie ist hauchdünn: Auf maximal 100 Mikrometer für die Trägerfolie kommen bis zu 200 Nanometer für Quantum-Dot- und Ladungsschichten. Polymere Piezofolien haben eine vergleichbare Dicke. „Damit kann die Sensorik prinzipiell an jede Oberflächenform angepasst werden“, erklärt der Forscher.

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Industrial Supply 2017...

... Von der Forschung zur Anwendung

Die Chemnitzer Forscher zeigen ihre Entwicklungen auf dem Gemeinschaftsstand des IVAM Fachverband für Mikrotechnik auf der Industrial Supply (Halle 6, Stand C30), der „Leitmesse der Zuliefertechnik“, im Rahmen der Hannover Messe 2017 (24.–27. April 2017). Im vergangenen Jahr hatte die Schau 92 000 Besucher angelockt, davon mehr als Drittel aus dem Ausland. Damit präsentiert diese Messe in den Hallen 4 bis 6 der Hannover Messe aktuelle und künftige Zulieferlösungen in der ganzen Breite der Materialien und Verfahren. Das Spektrum reicht von Oberflächentechnik, Leichtbau, Keramik und CFK über Massivumformung und Guss bis hin zu Fügetechnik, Gummi und Keramik.

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