DE102008058882A1

DE102008058882A1 - Faserverstärkte Kunststoffstruktur

Info

Publication number: DE102008058882A1
Application number: DE200810058882
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr. De Vries; Josef Dr. Mendler
Original assignee: ACENTISS GmbH
Current assignee: ACENTISS GmbH
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine faserverstärkte Kunststoffstruktur, welche Verstärkungsfasern und eine diese umgebende Matrix aus einem Kunststoff umfasst. Es sind Sensorfasern vorgesehen, die derart in die Matrix eingebettet sind, dass die Sensorfasern zusammen mit den Verstärkungsfasern als lasttragende Elemente in einem Verbund aus mehreren Schichten fungieren. Die Sensorfasern weisen eine definierte elektrische Leitfähigkeit auf, die sich bei einer Längenänderung der Sensorfasern ändert. Auf dieser Weise ist es möglich, tatsächliche Belastungen in faserverstärkten Kunststoffstrukturen in einfacher Weise festzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine faserverstärkte Kunststoffstruktur.
Derartige faserverstärkte Kunststoffstrukturen (Faserverbundkunststoff) sind Werkstoffe, die aus Verstärkungsfasern bestehen, welche in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Problematisch bei derartigen Strukturen sind die Schadensdetektion und die Schadensüberwachung, das so genannte „structural health monitoring” (SHM).
Es sind SHM-Methoden bekannt, bei denen mit gesondert eingesetzten Messelementen, z. B. piezo-elektrischer Sensorik oder Glasfasern, Messsignale erfasst werden. Eine derartige Signalerfassung erfolgt sowohl an ruhenden Strukturen als auch an sich im Einsatz befindlichen Strukturen. Allerdings sind derartige SHM-Methoden außerordentlich aufwändig und können auch nur sehr bedingt Fehler bzw. Schäden im Inneren der Strukturen erfassen. Darüber hinaus stellen die Messfühler zusätzliche Teile dar, die zusätzliches Gewicht, gegebenenfalls sogar Störungen der Strukturen verursachen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine faserverstärkte Kunststoffstruktur aufzuzeigen, die derart ausgebildet ist, dass Fehler und/oder Schäden in den Strukturen in einfacher Weise feststellbar sind.
Diese Aufgabe wird durch eine faserverstärkte Kunststoffstruktur gelöst, umfassend Verstärkungsfasern und eine diese umgebende Matrix aus einem Kunststoff, sowie Sensorfasern, die derart in die Matrix eingebettet sind, dass die Sensorfasern zusammen mit den Verstärkungsfasern als Last tragende Elemente in einem Verbund aus mehreren Schichten fungieren, wobei die Sensorfasern eine definierte elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die sich bei einer Längenänderung der Sensorfasern ändert.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt somit darin, dass die bei den genannten SHM-Methoden vorgesehenen Messelemente mit den Vertärkungsfasern lasttragende Elemente bilden, genau an dem Ort also vorgesehen sind, an welche in eben diesen lasttragenden Elementen Schäden auftreten können. Diese Anbringung im lastübertragenden Pfad führt dazu, dass die Sensorfasern als unmittelbares Monitoring-Instrument innerhalb eines Mehrschichtenverbundes verwendet werden können.
Vorzugsweise umfassen die Sensorfasern einen Faserkern und eine Beschichtung aus einem elektrisch leitenden Material. Der Faserkern besteht hierbei aus den an sich bekannten üblichen Materialien, z. B. aus Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern, während die Beschichtung mittels beliebiger Verfahren erfolgen kann, z. B. Plasmabeschichtung, Lichtbogenbeschichtung, galvanische Beschichtung usw. Die Einbettung in Harz erfolgt in ebenfalls an sich üblicher Weise, z. B. dem Nasslaminier- oder Harzinjektionsverfahren, wobei Thermoplaste oder auch Duroplaste verwendbar sind. Es ist also möglich, eine entsprechend präparierte Einzelschicht aus Sensorfasern (gegebenenfalls zusammen mit Verstärkungsfasern) im Verbund mit unbeschichteten Fasern (also mit Verstärkungsfasern) in eine Matrix einzubetten und im Verbund auszuhärten. Dabei werden die Sensorfasern entsprechend einem geforderten Faserorientierungswinkel angeordnet, wodurch diese Fasern sowohl in longitudinaler als auch in orthogonaler Richtung verlaufen können.
Vorzugsweise sind die Sensorfasern als Rovings, umfassend eine Vielzahl von einzelnen Sensorfasern, ausgebildet, wie dies auch bei Verstärkungsfasern üblich ist. Dadurch ergibt sich eine leichtere Handhabbarkeit insbesondere dann, wenn die Faserkerne sehr dünn sind.
Die Beschichtung der Sensorfasern ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass bei Erreichen einer bestimmten Längenänderung ein Bruch der Beschichtung (nicht aber des Faserkerns) auftritt. Dadurch ist ein „Gedächtnis” der Sensorfasern gegeben, so dass sehr hohe Belastungen der Strukturen, die während des „normalen” Betriebs auftreten, auch zu einem späteren Zeitpunkt festgestellt werden können. Hierbei ist es auch möglich, die Sensorfasern mit gestaffelten Eigenschaften bezüglich des Bruches der Beschichtung auszustatten, so dass bei einer ersten Belastungsgrenze die Beschichtung von ersten Sensorfasern, bei einer höheren Belastungsgrenze die Beschichtung von zweiten Sensorfasern (und so fort) brechen. Dadurch kann eine verbesserte Auflösung der Messung erzielt werden.
Die Sensorfasern werden vorzugsweise in definierten Richtungen in mindestens einer Schicht angeordnet, insbesondere aber in zueinander senkrecht stehenden Richtungsgruppen. Dadurch ist eine zweidimensionale Ortung von Überlastungen erzielbar.
Die Abtastung der Sensorfasern kann durch eine direkte Kontaktierung erfolgen. Alternativ ist eine Abtastung durch Induktivverfahren insbesondere dann, wenn die Sensorfasern Kurzschlussschleifen umfassen, in sie also ein Strom induziert bzw. eine durch die Sensorfasern erfolgende Schwächung des elektromagnetischen Feldes hervorgerufen werden kann. Diese Kurzschlussschleifen können durch eine gitterförmige Anordnung von Sensorfasern gebildet werden und zwar insbesondere dann, wenn die elektrisch leitenden Beschichtungen der Sensorfasern an den Kreuzungspunkten miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen.
Alternativ (oder auch zusätzlich) ist es möglich, Kurzschlussschleifen durch Einzelelemente von kurzgeschlossenen Sensorfasern zu bilden. Dann, wenn derartige Kurzschlussschleifen im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet und stochastisch verteilt in der Struktur vorhanden sind, geht zwar die Information über die Richtung der wirkenden Belastungen verloren, jedoch ist es dann sehr einfach möglich, überlastete Bereiche innerhalb der Strukturen festzustellen.
Die Sensorfasern können über die gesamten Strukturen hinweg verteilt vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Sensorfasern jedoch in gesonderten Schichten in der Kunststoffstruktur angeordnet, was sowohl bei der Herstellung der Strukturen als auch beim Messen von Vorteil ist.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigen
1 eine schematisierte Darstellung einer Schicht mit Sensorfasern,
2 eine Anordnung von mehreren Schichten in orthogonaler Ausrichtung,
3 einen Ausschnitt aus einer Schichtstruktur,
4 eine Einzelfaser gemäß einem Bereich IV aus 1,
5 eine Sensorfaser in schematisierter Schnittdarstellung bei Einwirkung einer Zugkraft,
6 eine Anordnung von Fasern, die nur in einer Richtung verlaufen,
7 eine Anordnung ähnlich der nach 6 jedoch mit dicht aneinander gelegten Fasern,
8 eine kreuzweise Verlegung von Fasern bzw. Faserschichten,
9 ein Gewebe aus Fasern,
10 eine Anordnung ähnlich der nach 8 jedoch mit zusätzlich einem Gitter aus Sensorfasern und
11 eine Anordnung von ringförmigen Sensorfasern.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
In 1 ist eine Schicht 4 gezeigt, in welcher Sensorfasern 20 in einer Richtung a angeordnet und in einer Kunststoffmatrix 12 eingebettet sind. Die Sensorfasern umfassen, wie in 4 gezeigt, einen Faserkern 21 und eine Beschichtung 22, die in dieser Abbildung nicht maßstäblich ist. Die Richtung a der Sensorfasern 20 bestimmt die „Kräftemessrichtung” relativ zu einem allgemeinen Koordinatensystem x, y und z. Wie in 2 gezeigt, sind mehrere Schichten 4 bzw. 4' mit orthogonal zueinander angeordneten Sensorfasern 20 vorgesehen, so dass eine vollständig bestimmte Anordnung bezüglich einer zweidimensionalen Messung gegeben ist. Ein im Wesentlichen vollständiger Schichtaufbau ist in 3 gezeigt, wobei hier lasttragende Schichten 1 bis 3 und 5 mit einer Sensorschicht 4 (oder einem Paar von Sensorschichten 4, 4' gemäß 2) in dem Verbund angeordnet sind.
In 5 ist schematisiert dargestellt, dass eine Faser im unbelasteten Zustand (5 oben) bzw. deren Beschichtung 22 einen Ruhewiderstand Ω = Ω₀ aufweist. Wird sie durch Kräfte F bzw. –F gedehnt (wie in 5 unten gezeigt), so wächst dieser Widerstand auf Ω = Ω₁. Wenn ein Bruch auftritt, wie dies mit der Bezugsziffer 26 dargestellt ist, so wird dieser Widerstand gegebenenfalls auch dauerhaft höher sein, selbst wenn die Faser samt ihrer Beschichtung nur im Hoogschen Bereich gedehnt wurde, also nach Beendigung der Dehnung wieder in den Ursprungszustand zurückkehrt.
Die Schichten in der Struktur, wie sie in 3 gezeigt wurde, können gemäß 6 Rovings 23 umfassen, die jeweils aus einer Vielzahl von Verstärkungsfasern 10 und einzelnen Sensorfasern 20 bestehen. Diese Sensorfasern 20 können allerdings auch hier wieder ganze Bündel (Rovings) umfassen.
Werden derartige Anordnungen wie in 6 gezeigt in Schichten verlegt, so entstehen Strukturen, wie sie in 7 und in 8 gezeigt sind. In 9 ist ein Gewebe aus derartigen Rovings schematisiert dargestellt.
Bei der in 10 gezeigten Anordnung ist eine Schichtgestaltung ähnlich der nach den 7 oder 8 dargestellt, während die Sensorfasern 20 (oder Bündel hiervon) in einer gröberen gitterförmigen Anordnung vorgesehen sind. Dann, wenn die Sensorfasern 20 bzw. die entsprechenden Bündel an Kreuzungspunkten miteinander über Verbindungspunkte 25 elektrisch leitend verbunden sind, entstehen kurzgeschlossene Anordnungen, so dass der elektrische Widerstand dieser „Kurzschlussschleifen” mit den bekannten Verfahren induktiv gemessen werden kann. Derartige Schleifenstrukturen können auch aus Einzelschleifen bestehen, wie dies in 11 dargestellt ist, so dass die gitterförmige Anordnung aus Sensorfasern 20 durch Schleifen 24 gemäß 11 ersetzt werden können.

1–5: Schicht
4, 4': Sensorfaserschicht
10: Verstärkungsfaser
12: Matrix
20: Sensorfaser
21: Faserkern
22: Beschichtung
23: Roving
24: Kurzschlussschleife
25: Verbindungspunkt
26: Bruchbereich

Claims

Faserverstärkte Kunststoffstruktur, umfassend – Verstärkungsfasern (10, 11) und eine diese umgebende Matrix (12) aus einem Kunststoff, sowie – Sensorfasern (20), die derart in die Matrix (12) eingebettet sind, dass die Sensorfasern (20) zusammen mit den Verstärkungsfasern (10) als lasttragende Elemente in einem Verbund aus mehreren Schichten (1 bis 5) fungieren, – wobei die Sensorfasern (20) eine definierte elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die sich bei einer Längenänderung der Sensorfasern (20) ändert.
Faserverstärkte Kunststoffstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfasern (20) als Rovings (23), umfassend eine Vielzahl von einzelnen Sensorfasern (20) ausgebildet sind.
Faserverstärkte Kunststoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfasern (20) einen Faserkern (21) und eine Beschichtung (22) aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen.
Faserverstärkte Kunststoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22) der Sensorfasern (20) derart ausgebildet ist, dass bei Erreichen einer bestimmten Längenänderung ein Bruch der Beschichtung (22) insbesondere ohne Bruch des Faserkerns (21) auftritt.
Faserverstärkte Kunststoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfasern (20) in definierten Richtungen in mindestens einer Schicht (1 bis 5) angeordnet sind.
Faserverstärkte Kunststoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfasern (20) in im Wesentlichen senkrecht zueinander stehenden Gruppen angeordnet sind.
Faserverstärkte Kunststoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfasern (20) zum Ermöglichen einer induktiven Messung Kurzschlussschleifen (24) umfassen.
Faserverstärkte Kunststoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussschleifen (24) durch eine gitterförmige Anordnung von Sensorfasern (20) gebildet ist.
Faserverstärkte Kunststoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussschleifen (24) durch Einzelelemente (24) von kurz geschlossenen Sensorfasern (20) gebildet sind.
Faserverstärkte Kunststoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfasern (20) in gesonderten Schichten (4, 4') in der Kunststoffstruktur angeordnet sind.