Sensorische Materialien

Vision Sensorische Materialien

Sensorische Materialien erfassen Daten über ihre Umgebung und/oder ihren eigenen Zustand. Sie verarbeiten diese Daten lokal und nutzen die gewonnenen Informationen intern oder kommunizieren sie nach außen.

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Materialien, die fühlen können

  • Taktile Wahrnehmung ist mehr als nur Sensorik → Funktionale Skalierung
  • Zum Beispiel biologische “Mechanorezeptoren” in der menschlichen Haut viel komplexer als technische Drucksensoren.
  • Neben der reinen Sensorfunktion gibt es eine Vorverarbeitung (Fusion) der rohen Sensordaten
  • Multimodale Perzeption: Gleichzeitige Aufnahme verschiedener Messgrößen und Fusion

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Abb. 1. From Embedded Sensors to Sensorial Materials - the Road to Function Scale integration (Lang, 2011)

Materialien, die fühlen können

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Abb. 2. Roadmap to Function Scale Integration (Lang, 2011)

Werkstoffe, die ihren Zustand kennen

  • Das Internet of Things, Ambient Intelligence und andere Anwendunsszenarien für „smart systems“ würden von materialintegrierten Sensorknoten und ebensolcher Datenverarbeitung profitieren.

  • Denn reine Oberflächenintegration kann es nicht gewesen sein!

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Abb. 3. Neben der Perzeption sind Interpretation (des Zustands) und Reaktivität (Änderung des Zustands) wichtige Eigenschaften von smarten Materialien

Materialintegration

Ansätze

  • Funktionalität ins Material verlagern ist wichtigster Schritt beim Entwurf von SM.
  • Im Zuge der Entwicklung von einer sensorierten Struktur zur Materialintegration wird die Funktionalität des Sensorsystems Schritt für Schritt von der Außenwelt in das aufnehmende Material verlagert.

figfuncint1[Lee, S. H., 2010]

Materialintegration

  • Die Funktionalität ins Material verlagern bedeutet der Entwurf eines heterogenen Systems bestehend aus:
  • Sensoren
  • Sensorknoten
  • Sensornetzwerk und Kommunikation
  • Energieversorgung
  • Energiemanagement
  • Hostmaterial

figmatint2[Lehmhus 2013, JIMS]

Materialintegration

Integrationsgrad

Bedingt durch Anwendung und Technologie sind verschiedene Integrationsgrade von Sensornetzwerken möglich:

  1. Externe Sensorik, externe Überwachung → Immer möglich, keine speziellen Technologien erforderlich

  2. Oberflächenapplikation → Meistens möglich, erfordert allgemein verfügbare Klebetechnologien

  3. Oberflächenintegration → Außenbereich eines Materials oder einer Struktur → Erfordert spezielle Fertigungstechnologien

  4. Volumenintegration → Innenbereich eines Materials oder einer Struktur → Erfordert spezielle Fertigungs-, Sensor-, und Datenverarbeitungstechnologien

  5. Intrinsische Materialeigenschaften → Sensormaterial

Materialintegration

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Abb. 4. Verschiedene Integrationsgrade an Beispielen und Anwendungen

Materialintegration

Intrinsische Materialeigenschaften

  • Elektr. Leitfähigkeit von C-Fasern als Sensoreffekt

    • D.-Y. Song et al. , Materials Science and Engineering: A 456 (2007) 286-291

  • Gefüllte Matrixwerkstoffe in Faserverbundkompositen (FVK)

    • Terfenol-D, P. Wierach et al.: Composites modified with Terfenol-D particles for stress detection. Euromat 2013, Sept. 8th-13th, 2013, Sevilla, Spain.
    • Graphen & C-Nanoröhren (CNT), J.-M. Park et al., Composites Part B: Engineering 39 (2008) 1170-1182.
    • etc.

  • Magnetische Partikel als Zugabe in Mg

    • K.-H. Wu et al., J. of Magnetism and Magn. Mat. 322 (2010) 1134-1136.

  • Martensitische Umwandlung von Stählen

    • B.-A. Behrens , K. Weilandt: Materials Science & Technology 3 (2009) 1485-1496.

  • Piezoelektrische Keramiken

Materialintegration

Einschränkung

Nur der Sensor und damit nur ein Element der Messkette wird ersetzt!

Möglicher Vorteil

Wenn angepasste Ausleseverfahren z.B. mit räumlicher Fokussierung und damit hoher räumlicher Auflösung verfügbar wären.

Materialintegration

Volumenintegration

Klassifikation nach folgender Metrik:

  • Typ des aufnehmenden Materials

    • Metall, Leichtmetall, (thermoplastischer/duroplastischert) Kunststoff, Textil, faserverstärkter Kunststoff, …

  • Verarbeitung des aufnehmenden Materials

    • Gießverfahren, Additive Manufacturing, Laminierverfahren, pulverbasierte Verfahren, …

  • Konfiguration des Sensor-Matrix-Verbundes

    • Klassifikation nach Konnektivität der aufnehmenden Phase und der die Sensorknoten repräsentierenden Phase

  • Sensortyp (nach Messprinzip)

    • Faseroptischer Sensor (FBG), Dehnungsmessstreifen (DMS), kapazitive Sensoren …

  • Sensortyp (nach Messgröße)

    • Mechanischer (Dehnungs-) Sensor, Temperatursensor, …

Materialintegration

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Abb. 5. Klassifikation der Integration nach Newnham [R. E. Newnham, D. P. Skinner, L. E. Cross: Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites. Mat. Res. Bull. 13 (1978) 525-536.]

Materialintegration

Metrik

  • Einteilung nach Konnektivität: 1. Ziffer aufnehmendes Material, 2. Ziffer Sensorknoten
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Individuelle Sensorknoten mit physischer Verbindung, mit Knotengeometrie:
  • 0D („smart dust“, sehr geringe Abmessungen in der Größenordnung der eigenschaftsbestimmenden Bestandteile der Matrix)
  • 1D (Draht/Faser)
  • 2D (SmartPatch, Funktionales Netz begrenzter Größe)
  • 3D (komplexe 3D-Knoten, die die 0D-Varianten in ihren Abmessungen um wenigstens eine Größenordnung übertreffen)
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Sensorknoten aus kontinuierlichen, langen Drähten/Fasern oder 1D Sensornetzwerke in Faserform

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Groß- bzw. vollflächige Funktionale Netze oder Textilien, oder 2D Sensornetzwerke

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Schichtmaterial mit vollflächigen “smart layers” und 2D Sensornetzwerken

Materialintegration

Konnektivität 3-0

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Materialintegration

Konnektivität 3-0

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Materialintegration

Konnektivität 3-1

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Materialintegration

Konnektivität 3-2

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Materialintegration

Konnektivität 2-2

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Materialintegration

Konnektivität 2-2

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Sensorevolution

Intelligente Sensoren und Erhöhung der Sensordichte
  • Entwicklung von Sensoren mit integrierten Informations- und Kommunikationstechnologien
    • Generation 1: Diskrete Sensoren, getrennte Sensorverarbeitung
    • Generation 2: Integrierte Smarte Sensoren
    • Generation 3: Netzwerke und Internetkonnektivität
    • Generation 4: Sensorclouds, IoT, MIIS

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