In-Situ Dehnungsmessung während der Erstarrung und Abkühlung von aluminiumlegierungen mittels regenerierter Faser-Bragg-Gitter

Im Laufe der Jahre ist es immer wichtiger geworden, Bauteile während des Produktionsprozesses sowie im Betrieb zu überwachen oder auf den jeweiligen Einsatzbereich spezialisiert anzupassen. Die Strukturüberwachung von beispielsweise Faserverbundwerkstoffen ist derzeit Stand der Forschung. Auf diesem Gebiet verbreitet sich der Einsatz von Glasfasersensoren, speziell der von Faser-Bragg-Gittern (FBGs), zunehmend.

Im Bereich des Gießereiwesens herrschen ähnliche Ansprüche an Messungen bezüglich der mechanischen Spannungen und Temperaturen, vor allem im Abkühlprozess nach dem Guss. Durch den Einsatz von speziellen hochtemperaturstabilen FBG-Sensoren, z. B. bei Aluminiumguss, können Spannungen und Temperaturen während der Erstarrung und Abkühlung von Aluminiumlegierungen bestimmt werden, ohne dass beispielsweise die kostenintensive, aufwändige und eingeschränkt verfügbare Neutronendiffraktometrie (für Experimente im Labormaßstab) eingesetzt werden muss.

Es konnte in Vorversuchen gezeigt werden, dass solche Messungen prinzipiell möglich sind. Zur Durchführung von Messungen während der Erstarrung und der Abkühlung von Metallen müssen adäquate FBG-Sensoren entwickelt und charakterisiert werden, die den Belastungen dauerhaft standhalten. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung eines faseroptischen Sensors für die Verwendung bei Temperaturen bis zu achthundert Grad Celsius für Aluminium-Gießversuche. Hiermit soll zeit- und temperaturaufgelöst die mehrdimensionale Dehnungsentstehung während des Gießprozesses erfasst werden.

Durch das Eingießen solcher Sensoren wird es außerdem möglich, den Fertigungsprozess in situ zu überwachen. Im Sinne der Qualitätssicherung können Abweichungen in der Prozessführung während der Herstellung frühzeitig erkannt und geeignete Steuer- bzw. Regelalgorithmen eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es denkbar, die eingegossenen Sensoren im späteren Einsatz der Gussteile (z.B. Motorkomponenten oder Strukturteile) weiter zu verwenden, so dass im Betrieb auftretende Temperaturen und Lasten erfasst werden können. Es wird weiterhin erwartet, dass die hier geplanten Untersuchungen zusätzlich Aufschluss über die Mechanismen der Entstehung von regenerierten Faser-Bragg-Gittern (RFBGs) geben können, z. B. bezüglich des Regenerationsverhaltens unter Querbelastung. Damit können wichtige Beiträge zur wissenschaftlichen Erklärung des Regenerationsprozesses von FBGs geliefert werden. Die zu erwartenden Forschungsergebnisse werden zu Folgeprojekten und zur Entwicklung von eingegossenen RFBG Hochtemperatursensorelementen für andere Metalle/Legierungen und weitere Anwendungen auch außerhalb des Gießereiwesens führen. Aufbauend auf den Projektergebnissen sind darüber hinaus zukünftige Entwicklungen zu erwarten: z. B. Entwicklung einer auf Metallguss basierenden Aufbautechnik eines RFBGs und robuste Hochtemperatursensoren auf Basis eines RFBGs für den industriellen Einsatz.