Oberflächenrauheit bei mechanisch belasteten Kupferleitern - Baron, Philipp; Lenz, Philipp; Wittmann, Armin; Fischer, Georg (Kupfersymposium 2021, 2021)
Im Labor für angewandte Produktionstechnik an der Hochschule Trier wird der Leiterwerkstoff Kupfer multiphysikalisch untersucht. Im Fokus steht dabei die sich ausbildende Oberflächenrauheit bei mechanisch belasteten Kupferleitern. Angelehnt an Normprüfungen sind Probanden des Typs H07V-U mit allen relevanten mechanischen Belastungsarten, wie Zug/Druck, Biegung und Torsion, belastet worden. Mithilfe der Konfokal-Mikroskopie kann nachgewiesen werden, dass diese Belastungsarten bei Kupferleitern zu erhöhter Oberflächenrauheit aufgrund von Versetzungen führen. Diese erstmals nachgewiesene Zusammenhang ist der Schlüssel zur Verschleißerkennung für industrielle Anwendungen. Die Forschergruppe nutzt diese Materialeigenschaft für die Entwicklung eines Kabel-Monitoring-System und eines neuartigen Sensorelements. Das Kabel-Monitoring-System nutzt dabei hochfrequente Wechselströme, welche sich durch den Skin-Effekt in der Randzone des Leiters konzentrieren, um eine charakteristische Dämpfung in-situ messbar zu machen. Durch die wachsende Rauheit der Oberfläche korrelieren die Messwerte mit dem voranschreitenden Verschleißzustand des Leiters. In der industriellen Anwendung ermöglicht dies eine Umstellung von „Planned Maintenance“ auf nachhaltigere „Predictive Maintenance“ und reduziert Ausfallwahrscheinlichkeiten. Mithilfe dieser an der Hochschule Trier entwickelten Messtechnik lässt sich Kupfer zudem erstmals als Sensorelement verwenden. Eingebettet in Naturfaserwerkstoffe sollen Kupferleiter zukünftig die strukturelle Integrität von tragenden Bauteilen in Fahrzeugstrukturen überwachen. Die mechanische Kopplung von Kupferleiter und Naturfaserwerkstoff sorgt dafür, dass Belastungen vom Bauteil direkt an das Sensorelement weitergegeben werden. Der Sensorverschleiß bzw. die sich ausbildende Oberflächenrauheit steht somit im direkten Zusammenhang mit der akkumulierten Belastungshistorie des Naturfaserbauteils. Durch eine Konditionierung des Leitermaterials können die Belastungshorizonte von Sensor und Faserwerkstoff angeglichen werden, wodurch die Sensitivität im für das Bauteil relevanten Kraftbereich maximiert wird. Zur Variation dieser mechanischen Eigenschaften im Kupfermaterial werden unterschiedliche Methoden untersucht. Unter anderem werden die Oberflächenbehandlung durch elektrochemische Korrosion, eine Vorschädigung durch Biegung und das Rekristallisationsglühen auf ihre Eignung zur Konditionierung untersucht. Die Validierung der Methoden erfolgt mithilfe von Zugversuchen, dessen Ergebnisse in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm aufgetragen sin
Keywords: Kupfer; Oberflächenrauheit; Naturfaserwerkstoff; Kabel-Monitoring-System; Leitungssensor