Lack misst Druck und Schwingungen

Um Drücke aller Art zu erfassen, hält die Messtechnik ein breites Spektrum von Sensoren bereit. Doch bei Messungen im Windkanal sollen sie die Strömung möglichst wenig stören. Besser als Folien gewährleistet dies ein neuer Lack mit einem piezoelektrischen Polymer.

Neue Flugzeuge und Autoprototypen müssen trotz aller Computersimulationen in den Windkanal. Während sie darin von Luft umströmt werden, messen die Entwickler Druckänderungen und Strömungsgeschwindigkeiten in den verschiedenen Bereichen. Dazu werden immer weniger Fäden oder Rauch eingesetzt, sondern hochentwickelte Sensoren, die den Luftstrom möglichst wenig beeinflussen. Eine Möglichkeit sind Foliensensoren aus piezoelektrischen Materialien. Ihr Nachteil: Besonders auf gekrümmte Flächen können sie nur schwer aufgeklebt werden und in der Luftströmung haften sie schlecht. Nachteile, die es bei einem Lack, der am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP entwickelt wurde, nicht gibt.

Das Messprinzip ist zunächst einfach: Druck erzeugt im Material eine elektrische Spannung; umgekehrt beginnt es zu schwingen, wenn eine Wechselspannung angelegt wird. Daher eignen sich piezoelektrische Materialien nicht nur für Drucksensoren, sondern auch als Schallquelle oder für Aktoren – also Bewegungselemente verschiedenster Art. Im Fall des neuen Lackes ist der aktive Stoff ein Vinylidenfluorid-Kopolymer – ein zum Polyethylen verwandter Kunststoff, bei dem die Hälfte der Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt wurden. „Das Polymer ist lange bekannt“, erklärt Dr. Burkhard Elling, Projektentwickler im Forschungsbereich Funktionale Polymersysteme. „Ein wesentliches Problem bestand darin, eine geeignete Technik zu entwickeln, um den Lack mit kontrollierter Schichtdicke auf den Untergrund aufzutragen.“ Auf den richtigen Mix seiner Eigenschaften kommt es also an: Der Lack muss sprühbar sein, darf aber auch an gekrümmten Flächen nicht abfließen. Zudem sollte eine Schichtdicke zwischen zehn und fünzig Mikrometern reproduzierbar aufgetragen werden können. Mit der Lackierung allein ist es nicht getan: Damit daraus eine druckempfindliche Sensorschicht wird, muss sie elektrisch gepolt und abschließend mit einem Metall bedampft werden, das als Deckelektrode fungiert.

Bisher konnten am IAP solche Sensorschichten auf flexiblen strukturierten Leiterplatten aufgebracht werden. Doch auch größere Flächen im Metermaßstab sind realisierbar. Neben der Funktion als Sensor für Druckänderungen in Strömungsversuchen, eröffnet sich mit dem Lack ein weites Feld von Anwendungen, etwa für Überwachungs- und Kontrollsensoren in der Alarm- und Verkehrstechnik. Ebenso in der Bauteilprüfung: Hier kann gemessen werden, welche mechanischen Schwingungen in den unterschiedlichen Bereichen auftreten.

Ansprechpartner:
Dr. Burkhard Elling
Telefon 03 31 / 5 68-19 17
Fax 03 31 / 5 68-39 15
elling@iap.fraunhofer.de

Dr. habil. Rudi Danz
Telefon 03 31 / 5 68-19 15
danz@iap.fraunhofer.de