Elektronisches Nervensystem als Strukturwächter

An elektronischen Netzwerken, die Strukturen ähnlich einem Nervensystem überwachen, forschen Wissenschaftler an mehreren Fraunhofer-Instituten. Die Idee wird „Structural Health Monitoring“ (SHM) genannt und hat das Ziel, kleine strukturelle Defekte früh zu erkennen, um großen Schäden vorbeugen zu können.

SHM ist speziell für den Einsatz bei kritischen und schwer zugänglichen Strukturen gedacht, wie etwa im Luftfahrt-Bereich, bei Pipelines oder an Windkraftanlagen. Dabei gibt es mehrere technologische Ansätze, die einander langfristig ergänzen sollen.

Vorbild für SHM ist das Nervensystem der menschlichen Haut, wo Rezeptoren laufend wichtige Informationen über den Zustand dieser Außenhülle sammeln. Analog dazu lautet das Ziel, mit einem technischen System den Zustand technischer Strukturen zu überwachen. „Bei Hagelschlag ist ein Schaden oberflächlich nicht immer unbedingt zu sehen“, beschreibt Martin Lehmann vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF), im Gespräch mit pressetext. Derartige innere Schäden können mit SHM-Systemen gefunden werden.

Ein Ansatz nutzt Elemente aus Piezo-Fasern, um Strukturen mithilfe von Ultraschall zu analysieren. Schon vier Elemente genügen dazu. Eines dient als Sender, während die anderen drei Daten empfangen. Damit können etwaige Schäden lokalisiert werden. Die Anwendung dieses System wird unter Mitarbeit des Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) http://www.isc.fraunhofer.de für Windkraftanlagen vorangetrieben. Ebenfalls möglich sind faseroptische Dehnungssensoren, wie sie am Fraunhofer LBF für Flugzeuge verwendet werden. „Wir wollen verschiedene Sensortypen kombinieren“, erklärt Lehman gegenüber pressetext das langfristige Ziel. Damit könnten SHM-Systeme praktisch mehrere Sinne haben.

„Die Sensoren können in Faserverbundwerkstoffe integriert werden“, beschreibt Lehmann einen wichtigen Vorteil. Allerdings seien entsprechende Fertigungsprozesse auf industriellem Maßstab noch eine Herausforderung. Sowohl die Integration als auch die Tatsache, dass ein Sensor selbst eine Art Fehlstelle darstelle, begründen weiteren Forschungsbedarf. Auch andere Fragen, wie etwa die optimale Positionierung von Sensoren, seien von großer Bedeutung. Hier würden unter anderem Simulationen des Fraunhofer-Instituts für zerstörungsfreie Prüfverfahren in Dresden http://www.izfp-d.fraunhofer.de wertvolle Informationen liefern. Erfolge gibt es im Bereich der Miniaturisierung. „Die Elektronik ist sehr kompakt geworden“, meint Lehmann. Das Auswertungsmodul für das Piezo-System etwa habe weniger als drei Zentimeter Seitenlänge.

„Wir wollen mit unserem System die bisherigen Checks ergänzen“, meint Bernhard Brunner vom Fraunhofer ISC. Langfristig halten es die Forscher aber für möglich, dass SHM-Systeme einer kontinuierlichen Überwachung dienen und auch eine zustandsabhängige Wartung ermöglichen können. Das verspricht mehr Sicherheit etwa im Bereich von Off-Shore-Windanlagen und natürlich auch mehr Kosteneffizienz in der Instandhaltung.

Bei der Hannover Messe 2008 vom 21. bis 25. April wird ein Demonstrator für die Überwachung an Windkraftanlagen mit Piezo-Elementen gezeigt. Bei der Aerospace Testing, Design & Manufacturing http://www.aerospacetesting.com vom 15. bis 17. April in München wird ebenfalls der aktuelle Forschungsstand präsentiert.