集成传感器的纤维增强塑料不但材质轻盈，而且结实耐用

德国中部的科研伙伴集众家之所长，携手开发新型智能材料

用于膝关节固定的运动器材和矫形器或飞机结构部件必须轻便灵巧、负荷力强且安全坚固。细丝型传感器经济实惠，可轻松监测纤维增强塑料轻质结构的状态。德国中部地区联合研究项目EFFI-Sens致力于跨学科的高效传感研究。来自萨克森 - 安哈特州的众多科学和工业界人士为这一研究开发做出了贡献。

材料监控科研联合会

材料效率意味着成本效率，因为德国加工行业的材料成本比例始终保持在35％到55％之间。提高材料效率可节省燃料、减少排放并保护自然资源。纤维增强塑料前景广阔，可为飞机、船只和轿车、医疗技术产品甚至风力涡轮机的转子叶片生产定制的零部件。

“生产这些零件时要优化材料和重量，这些零件还须承受强烈且波动的负荷，并在这种情况下依旧保证正常履行功能。因此我们需要对高应力区域的材料进行可靠的状态监控”，弗劳恩霍夫材料与系统微观结构研究所（IMWS）纤维复合材料系统评估组负责人Ralf Schlimper博士说道。

由德国联邦经济和能源部资助的德国南部塑料中心旗下的科研联合会和促进会迎难而上，开展了EFFI-Sens科研项目，有针对性地开发智能材料。来自萨克森 - 安哈特州哈勒市弗劳恩霍夫材料与系统微观结构研究所，德累斯顿、开姆尼茨和齐陶的弗劳恩霍夫机床和成型技术研究所（IWU）以及萨克森–安哈特州哈勒市的南德国塑料中心的科学家齐聚一堂，献计献策。

来自德国中部的图林根、萨克森及萨克森–安哈特州的企业组成委员会，共同参与项目开展。这些企业进一步加工纤维增强塑料或使用该材料生产的零件或组件。其中包括萨克森–安哈特州科赫施泰特（Cochstedt）的创新型特技飞机生产企业XtremeAir和德绍纤维增强塑料有限公司FVK。

在部件上安装传感器

EFFI-Sens重点开发基于伪弹性形状记忆合金的细丝传感器，通过压力传递可使材料发生可逆相变，从而改变其形状。这些传感器可实现组件的负载导向设计和无损检测。弗劳恩霍夫机床和成型技术研究所是这方面的专家。“相位转变可导致电阻发生强烈变化。这使我们可通过传感效应测量应力，” 弗劳恩霍夫机床和成型技术研究所分项目主管Thomas Mäder博士说道。该研究所开发传感器，研究和测试不同合金的特性，生产传感器并将其安装在样机上。弗劳恩霍夫机床和成型技术研究所首先在项目中开发了传感器生产和触点连接工艺。

德国南部塑料中心的哈勒工厂负责纤维复合材料生产过程中的各类技术，研究如何将弗劳恩霍夫机床和成型技术研究所提供的传感器与纤维复合材料结构有效粘合，以及在选材时应考虑哪些因素。“我们同时研究两种可行的方式：生产部件时，细丝可以直接插入纤维复合结构或应用于硬化后的结构中”，德国南部塑料中心子项目负责人Jana Fiedler博士解释道。

弗劳恩霍夫材料与系统微观结构研究所的项目组最后对样品进行测试和分析，以便对测量信号的质量做出评估：“流程必须可靠且可复制。基于测量结果，可解读短时间内可承受的负荷，或当负荷接近临界点时，应向用户发出哪种信号”，弗劳恩霍夫材料与系统微观结构研究所子项目主管Marianne John博士说道。

材料4.0的数字化解决方案

EFFI-Sens是一个大型科研综合体的组成部分，致力于整个价值链条上定制纤维复合材料结构的开发。其中包括数字化实验室（ DigiLab ）科研项目和材料数据空间倡议（Materials Data Space）。数字化实验室项目中，位于施科保（Schkopau）的弗劳恩霍夫聚合物合成与加工（PAZ）试点工厂中心的科学家致力于研究和开发用于配制和加工定制热塑性塑料的虚拟开发平台。弗劳恩霍夫应用研究促进协会的材料数据空间则主要着眼于材料和生产过程传感器的配置，并对其所产生的庞大数据进行处理和评估。项目目标包括预测所用材料和部件的结构性能，以获得整个生命周期中材料状况的全面信息或确保原始部件的识别。

基于这些创新，开发人员可根据负荷设计组件并进行无损测试，新产品的开发周期将大幅缩短。虽然客户对个性化零部件的需求与日俱增，但我们仍旧能够保证超高的成本效益和安全性，并可提供种类多样的产品。

作者：Bettina Koch