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In-Situ Dehnungsmessung

während der Erstarrung und Abkühlung von Aluminiumlegierungen mittels regenerierter Faser-Bragg-Gitter

Prof. Dr. Johannes Roths
Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik


Der Aluminiumguss hat in der modernen Produktionstechnik eine sehr große Bedeutung. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, erstmals faseroptische Sensoren in Aluminium-Gussbauteile zu integrieren, wobei speziell präparierte optische Sensorfasern während des Gießvorgangs mit in das Bauteil vergossen werden. Damit steht ein neues Verfahren zur Verfügung, um die Erstarrungsvorgänge innerhalb der Gussbauteile zu untersuchen und besser zu verstehen. Durch die schon während des Herstellungsprozesses integrierte Sensorik kann darüber hinaus der Fertigungsprozess der Gussbauteile besser überwacht und optimiert werden. Die integrierte Sensorik kann anschließend weiterhin im Betrieb des Bauteils zur Funktionsüberwachung genutzt werden und z. B. die Belastungshistorie des Bauteils während des Einsatzes erfassen und möglicherweise kritische, sicherheitsgefährdende Belastungszustände erkennen. Dies ermöglicht u. a. eine Verbesserung der Betriebssicherheit der Gussbauteile, zum Beispiel nach Missbrauchslasten.


Aluminium-Gussbauteil mit integriertem faseroptischen Sensor, Quelle: Prof. Dr. Johannes Roths, HM
Aluminium-Gussbauteil mit integriertem faseroptischen Sensor, Quelle: Prof. Dr. Johannes Roths, HM

Eine geeignete faseroptische Sensorik stellt dabei die Kernkomponente des Verfahrens dar. Die während des Gieß- und Erstarrungsvorgangs auftretenden Temperaturen und mechanischen Spannungen stellen sehr hohe Anforderungen an die Sensorelemente. Im Labor für Photonik der Hochschule München werden mittels eines laserbasierten Herstellungsverfahrens hochtemperaturtaugliche Faser-Bragg-Gitter (FBG) (sog. regenerierte Faser-Bragg-Gitter, RFBG) entwickelt, die für den Einsatz unter den rauen Bedingungen des Gießvorgangs geeignet sind. Durch Verwendung einer geeigneten Aufbautechnik der Sensoren mit Stahlkapillaren kann an mehreren Punkten der Faser die Temperatur gemessen und es können somit Temperaturprofile mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst werden. Werden die FBG-Sensorelemente unmittelbar in Aluminium vergossen, so sind sie sowohl auf Temperatur- als auch auf Dehnungsänderungen empfindlich. Durch die Kombination von zwei Sensorfasern, eine, die nur auf Temperatur, eine, die auf Temperatur- und Dehnungsänderungen empfindlich ist, können Dehnungs- und Temperaturänderungen unterschieden werden.


Der Einsatz der RFBG ermöglicht so die Untersuchung der entstehenden Dehnungen während des Erstarrungsprozesses bei hohen Temperaturen. Grundlage hierfür ist die erstmalige Ermittlung der Dehnungsempfindlichkeit und anderer Sensorcharakteristika von RFBG bei hohen Temperaturen. Die ermittelten Sensorparameter bei hohen Temperaturen dienen zur Erstellung eines FE-Sensormodells, mit dessen Hilfe aus den Sensordaten auf den durch die Sensorfaser ungestörten Dehnungszustand des Aluminiums und ggf. auf Eigenspannungen zurückgeschlossen werden kann. Die während des Gießvorgangs ermittelten FBG-basierten Dehnungswerte sollen mit neutronendiffraktometrisch erzielten Referenzmessungen in der Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz verifiziert werden. Darüber hinaus wird auch die Anwendung des Sensorverfahrens zur Erfassung von Eigenspannungen in einem realen Verbundgussbauteil untersucht.


Laufzeit:
2018 - 2020


Zuwendungsgeber / Projektträger:
Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG, Projektnummer: RO 4145/3-2


Projektpartner:

  • Prof. Dr. Alexander W. Koch, Institute for Measurement Systems and Sensor Technology, Department of Electrical and Computer Engineering, Technical University Munich
  • Prof. Dr. Wolfram Volk, Chair of Metal Forming and Casting, Department of Mechanical Engineering, Technical University Munich