DE10029347A1 - Sensorfolie - Google Patents

Sensorfolie

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DE10029347A1
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Hanspeter Adelhardt
Wolfgang Ries
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Abstract

Eine Sensorfolie, die insbesondere zur Detektion von Rissen sowie zur Messung von Risslängen und Rissfortpflanzung dient, besteht aus einer unelastischen Polymer-Trägerfolie, die mit leitfähigen Partikeln versehen ist und die mittels eines Klebers auf ein Werkstück aufklebbar ist, wobei die leitfähigen Partikel faserartig ausgebildet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorfolie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Sensorfolie zur Detektion von Rissen sowie zur Messung von Risslängen und Rissfortpflanzungen.
Das frühzeitige Entdecken von Rissen sowie das Messen des Fortschritts und der Länge von Rissen ist eine Aufgabe, die während experimenteller Spannungsanalysen oder bei der Überwachung stark beanspruchter Bauteile häufig auftritt. Dabei ist eine möglichst hohe Auflösung der Messung wünschenswert, um den Rissfortschritt genau beobachten und um Entwicklungstendenzen zuverlässig erkennen zu können.
Stand der Technik
Zur Detektion von Rissen sowie zur Risslängen- und Rissfortschrittsmessung sind Sensoren bekannt, die aus einer Anzahl von parallelgeschalteten Widerstandsdrähten bestehen und auf die Oberfläche der zu untersuchenden Probe aufgeklebt werden, so dass die Widerstandsdrähte senkrecht zur Rissrichtung liegen. Bei einer Rissbildung werden dann fortlaufend Widerstandsdrähte zerrissen, so dass sich der Gesamtwiderstand des Sensors stufenweise erhöht. Die Auflösung ist dabei von der Anzahl der parallelgeschalteten Widerstandsdrähte pro Längeneinheit vorgegeben und somit relativ grob; während der Riss sich kontinuierlich fortpflanzt, erfolgt die Widerstandsänderung diskontinuierlich. Ein weiterer Nachteil dieser Ausführung besteht darin, dass der Rissverlauf vor dem Aufkleben des Sensors ungefähr bekannt sein muss, um die Widerstandsdrähte senkrecht zum Rissverlauf ausrichten zu können.
Die US 5,227,731 offenbart eine Sensorfolie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die aus einem Polymer besteht, das mit einem Pulver aus leitfähigen Partikeln durchsetzt ist. Diese Sensorfolie wird ebenfalls auf die zu beobachtende Probe aufgeklebt, und im Falle einer Rissbildung in der Probe erfolgt eine kontinuierliche Widerstandsänderung der Sensorfolie.
Diese bekannte Folie hat die Nachteile, dass ein starkes externes elektrisches Feld zum Ausrichten der Partikel angelegt werden muss und dass das Polymer eine relativ niedrige Viskosität aufweisen muss, um die Ausrichtung der leitfähigen Partikel zu ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sensorfolie vorzustellen, mit der eine genaue und zuverlässige Analyse des Rissfortschritts erzielt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Demzufolge besteht der erfindungsgemäße Riss-Sensor aus einer leitfähigen, unelastischen, dünnen Polymerfolie, die flächig auf das zu beobachtende Material aufgeklebt wird. Die Folie ist mit leitfähigen Partikeln versehen, die eine faserartige Form haben, deren Länge also deutlich größer als ihr Durchmesser ist. Die leitfähigen Partikel haben vorzugsweise eine homogene Größe und sind homogen in der Folie verteilt. Eine hohe Auflösung der Messung wird durch die hohe Dichte und die geringen Abmessungen der leitenden Partikel im Folienmaterial erreicht.
Die faserartige Form der Partikel gewährleisten eine verbesserte Leitfähigkeit gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorfolie. Zudem bewirkt die Verwendung von faserartigen Partikeln einen vereinfachten Herstellungsprozess, da kein starkes externes elektrisches Feld zum Ausrichten der Partikel angelegt werden muss und das Polymer keine besonders niedrige Viskosität aufweisen muss, um die Ausrichtung der leitfähigen Partikel zu ermöglichen.
Für die Messung der Risslänge und des Fortschritts wird der Sensor über mindestens einen Arbeitswiderstand mit einer Referenzspannung versorgt. Vorzugsweise wird dazu eine elektronische Brückenschaltung verwendet, über die gleichzeitig eine Temperaturkompensation einfach verwirklicht werden kann. Ein handelsüblicher Analog-Digital-Wandler digitalisiert den Messwert und stellt ihn einem Auswertesystem (PC) zur Verfügung, welches die Visualisierung der Daten übernimmt. Als Laboraufbau kann alternativ ein Vorwiderstand mit stabiler Vorspannung in Verbindung mit einem yt-Schreiber verwendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Die Genauigkeit einer Messung, bei der die erfindungsgemäße Sensorfolie verwendet wird, hängt maßgeblich von der Beschaffenheit der leitfähigen Partikel ab. Unterscheiden sich die leitfähigen Partikel in ihrer Größe und Form voneinander, und/oder sind sie inhomogen über die Folie verteilt, kann nur ein ungenaues und nicht reproduzierbares Messergebnis erzielt werden. Die leitfähigen Partikel haben daher vorzugsweise eine weitgehend homogene Größe und sind weitgehend homogen im Trägermaterial verteilt.
Als Material für die Trägerfolie wird vorzugsweise eines der Polymere Silikon oder Polyurethan verwendet. Diese Polymere sind kostengünstig und zeichnen sich durch eine besonders einfache Handhabung bei der Produktion aus. Vorzugsweise werden Mehrkomponentensysteme eingesetzt. Durch die Auswahl der Komponenten lässt sich die Elastizität und damit die Rissempfindlichkeit der Folie an die jeweiligen Einsatzerfordernisse anpassen.
Als Material für die leitfähigen Partikel kann beispielsweise Kohlenstoff verwendet werden. Kohlenstoffpartikel sind vergleichsweise preiswert und umweltfreundlich im Hinblick auf die Herstellung und Entsorgung. Im Übrigen weisen sie im Vergleich zu Metallen eine höhere Oxidationsbeständigkeit auf.
Die Länge der faserartigen Partikel beträgt vorzugsweise ca. 50 µm und deren Durchmesser ca. 5 µm. Die Länge der Partikel ist also deutlich größer als deren Durchmesser, und die Partikel sind gleichzeitig so klein, dass eine genaue Messung gewährleistet ist.
Die Partikel sind in der Trägerfolie vorzugsweise isotrop ausgerichtet. So kann der notwendige Kontakt der Fasern einfach gewährleistet werden. Ebenso denkbar ist jedoch eine anisotrope Ausrichtung der Fasern.
Ein Gewichtsanteil von 5% bis 50% der leitfähigen Partikel am Gesamtgewicht der Folie gewährleistet eine optimale Kombination zwischen Leitfähigkeit und Auflösung der Folie.
Das Messergebnis kann dadurch verfälscht werden, dass die aufgeklebte Folie den Rissverlauf beeinflusst, dem Riss also einen Widerstand entgegensetzt. Beim Einsatz eines elastischen Klebers und/oder eines elastischen Polymers kann es ferner vorkommen, dass der Rissverlauf in der Folie dem Rissverlauf in der Probe nicht genau folgt und das Messergebnis daher nur bedingt aussagekräftig ist. Zur Verbindung zur Sensorfolie mit der Probe sollte daher vorzugsweise ein nicht elastischer Kleber verwendet werden. Beispielsweise bietet sich ein Kleber auf Isocyanatbasis an, der lösungsmittelfrei ist und nur eine geringe Wartezeit benötigt, bis die Folie verwendet werden kann.
Schließlich sollte die Folie dünn genug sein, um dem Riss keinen Widerstand entgegenzusetzen, und gleichzeitig dick genug sein, um eine ausreichende Leitfähigkeit zu gewährleisten. Vorzugsweise ist die Folie dünner als 3 mm; die notwendige Dicke der Folie hängt u. a. von der Größe der zu beobachtenden Fläche bzw. der Bauteilgröße ab.

Claims (12)

1. Sensorfolie, insbesondere Sensorfolie zur Detektion von Rissen sowie zur Messung von Risslängen und Rissfortpflanzungen, die aus einer unelastischen Polymer- Trägerfolie besteht, die mit leitfähigen Partikeln versehen ist und die mittels eines Klebers auf ein Werkstück aufklebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Partikel faserartig ausgebildet sind.
2. Sensorfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Partikel eine weitgehend homogene Größe haben und weitgehend homogen im Trägermaterial verteilt sind.
3. Sensorfolie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie aus Silicon oder Polyurethan besteht.
4. Sensorfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Partikel aus Kohlenstoff bestehen.
5. Sensorfolie nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der faserartigen Partikel ca. 50 µm beträgt.
6. Sensorfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der faserartigen Partikel ca. 5 µm beträgt.
7. Sensorfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel isotrop ausgerichtet sind.
8. Sensorfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Partikel in der Trägerfolie eingebettet sind.
9. Sensorfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil der leitfähigen Partikel am Gesamtgewicht der Folie zwischen 5 % und 50% liegt.
10. Sensorfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kleber ein nichtelastischer Kleber verwendet wird.
11. Sensorfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kleber auf Isocyanatbasis verwendet wird.
12. Sensorfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie dünner als 3 mm ist.
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