Aktuelle gesellschaftliche und ökologische Herausforderungen erfordern innovative Lösungen zur effizienten Nutzung von Ressourcen, verbunden mit einem verstärkten Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen. Im Bereich des Leichtbaus sind naturfaserverstärkte Biopolymere ein vielversprechender Kandidat, um die Anforderungen an die ökologische Verträglichkeit bei gleichzeitig hoher Materialperformance zu erfüllen.
Naturfasern wie Flachs, Hanf oder Baumwolle wurden in den letzten Jahren ausgiebig untersucht, um ihre Eignung für die mechanische Verstärkung von Leichtbauteilen zu bewerten. Um die Leistung und Zuverlässigkeit der jeweiligen Verbundwerkstoffe weiter zu verbessern, kann die strukturelle Zustandsüberwachung in den Werkstoffen ein leistungsfähiges Werkzeug für die zukünftige Materialentwicklung sein.
Gedruckte Sensoren auf biokompatiblen Substraten, wie z. B. Papier, eignen sich gut für die Integration in die jeweiligen Leichtbauteile während der Fertigung, da die flexible 2,5D-Struktur die Materialeigenschaften nicht so stark beeinträchtigt wie sperrige und starre 3D-Silizium-basierte Sensoren es machen würden. Darüber hinaus ist Papier ein kostengünstiges, leicht verfügbares, nachhaltiges und biologisch abbaubares Material, dessen Anwendung für gedruckte Elektronik in letzter Zeit auf großes wissenschaftliches Interesse gestoßen ist.
Apropos Nachhaltigkeit: Digitalen additiven Elektronik-Fertigungstechnologien wie dem Tintenstrahldruck wird eine geringe Umweltbelastung zugeschrieben, vorausgesetzt, es werden auch umweltfreundliche Materialien verwendet. Ziel des Projekts "Smarter Leichtbau 4.0" war daher die Entwicklung von volladditiv gefertigten papierbasierten Sensoren für die Integration in Leichtbaukomponenten, wie z. B. Rotorblätter für Kleinwindkraftanlagen, Karosserieteile oder medizinische Prothesen. Initiiert und durchgeführt wurde das Projekt von drei Forschungseinrichtungen des Landes Kärnten: dem Kompetenzzentrum Holz GmbH, der Silicon Austria Labs GmbH und der Fachhochschule Kärnten.
Dadurch wird die Expertise dieser Forschungseinrichtungen synergetisch genutzt und ein Nutzen auf mehreren Ebenen generiert. Es wurde eine kritische Masse geschaffen, die über die Summe der Einzelaktivitäten hinausgeht, Forschung zu strategisch relevanten sowie nachhaltigen Themen betreibt und im Zuge des Business-Development- und Funding-Prozesses eine wesentliche Basis für neue Spin-Offs bildet.
Sensorentwicklung und -integration
Es wurde ein stabiler Inkjet-Druckprozess auf unbeschichtetem Papiersubstrat unter Berücksichtigung von Tintenbenetzung, Auflösung und anderen Druckparametern etabliert. Da Papier ein kostengünstiges, leicht verfügbares, nachhaltiges und biologisch abbaubares Material ist, kann die Herstellung von papierbasierter Elektronik als aktiver Beitrag zur Bewältigung der ökologischen Herausforderungen unserer Zeit angesehen werden.
Darauf aufbauend wurden drei verschiedene Sensortypen zur Messung von Temperatur, Feuchtigkeit und Dehnung im Inneren des leichten Materials entwickelt. Alle Sensoren wurden mit Hilfe der hochentwickelten SAL-Infrastruktur gründlich charakterisiert und ihre Leistung wurde für den gegebenen Anwendungsfall der strukturellen Gesundheitsüberwachung von naturfaserverstärkten Leichtbauteilen bewertet. Die mechanische Integrität des Leichtbauteils wurde durch den integrierten Sensor nicht verringert, im Gegenteil, seine Festigkeit wurde sogar verbessert. Alle getesteten Sensoren blieben nach dem Vakuuminfusionsprozess funktionsfähig und lieferten weiterhin Messdaten. Zusätzlich wurden die Möglichkeiten der drahtlosen Sensorauslesung erforscht.
Die im Rahmen des Projekts "Smarter Leichtbau 4.0" entwickelten Sensoren können als wegweisend auf dem Gebiet der additiven, kostengünstigen und umweltverträglichen allgegenwärtigen Sensorik angesehen werden, die den Weg zu einer nachhaltigen und "grünen" Elektronik der Zukunft ebnet.
Dieses Projekt wird aus Mitteln des EFRE Europäischen Fonds für regionale Entwicklung ko-finanziert. https://www.efre.gv.at/
