DE102009056895A1 - Method for manufacturing fiber composite plastic-component utilized in e.g. automobile construction area, involves measuring momentous physical or chemical variables, which include connectivity of composite-plastic component and rigidity - Google Patents

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Abstract

The method involves placing a micro-sensor between fiber layers, during a manufacturing process of a fiber composite plastic component. The sensor measures momentous physical or chemical variables, during the manufacturing process, where the variables include matrix connectivity of the fiber composite-plastic component, damping characteristics, rigidity and glass transition- crystallinity temperature. Data transfer and energy transmission are implemented in a wireless manner in the sensor. Thermoplastic is laid between foils, and an additional foil is utilized as a substrate for the sensor. An independent claim is also included for a fiber composite plastic-component that is manufactured using the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundkunststoff (FVK), das eine Messwerterfassung aus dem Bauteilinneren ermöglicht.The invention relates to a method for producing a component from a fiber composite plastic (FRP), which enables a measured value detection from the component interior.

Der Anteil an Faserverbundkunststoffen (FVK) in Industriezweigen wie Luftfahrt, Automobilbau und Schienenfahrzeugbau nimmt ständig zu, insbesondere auch für strukturelle Anwendungen. Gleichzeitig steigen auch die Anforderungen an Qualität, Beanspruchung und Lebensdauer dieser Faserverbundkunststoffe.The proportion of fiber composite plastics (FRP) in industries such as aerospace, automotive and rail vehicle construction is constantly increasing, especially for structural applications. At the same time, the demands on quality, load and service life of these fiber composites are increasing.

Bisher kann das Verhalten dieser Werkstoffe im Herstellungsprozess und dem Einsatzbereich nur extern und nicht im Werkstoff selber kontrolliert werden. So wird beispielsweise der Vernetzungsgrad während der Herstellung des FVK-Bauteils entweder indirekt über dem Temperaturverlauf während der Härtung oder über thermoanalytische Messverfahren an Begleitproben ermittelt. Eine Kontrolle im Werkstoff selber ist zwar für Vorversuche, z. B. durch das Einlegen von Thermoelementen für die Aufzeichnung des Temperaturverlaufes möglich. Nachteilig bei all diesen Verfahren ist derzeit, dass die Mess-Systeme (z. B. Thermoelemente, Fiber-Brags) geometrisch zu groß sind, bzw. mit Anschlussleitungen versehen werden müssen und somit die Werkstoffeigenschaften (u. a. die mechanischen Eigenschaften) nachteilig beeinflussen.So far, the behavior of these materials in the manufacturing process and the application can be controlled only externally and not in the material itself. Thus, for example, the degree of crosslinking during the production of the FRP component is determined either indirectly over the temperature profile during curing or via thermoanalytical measurement methods on companion samples. A check in the material itself is indeed for preliminary tests, z. B. by inserting thermocouples for the recording of the temperature profile possible. A disadvantage of all these methods is currently that the measuring systems (eg thermocouples, fiber brags) are geometrically too large, or must be provided with connecting lines and thus adversely affect the material properties (including the mechanical properties).

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bereit zu stellen, durch das sich bereits während des Herstellungsverfahrens eines FVK-Bauteils die physikalischen Eigenschaften des gebildeten Bauteils präziser als bisher feststellen lassen.Proceeding from this, the object of the invention is to provide a generic method by means of which the physical properties of the component formed can already be ascertained more precisely than hitherto during the production process of an FRP component.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention, these objects are achieved by the features of claim 1. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht also darin, dass mindestens ein Mikrosensor während des Herstellungsprozesses zwischen zwei Faserlagen (zwei Prepregs) an einer bestimmten Stelle plaziert wird, vorzugsweise also zwischen den Faserlagen eingebettet wird. Soweit der Mikrosensor mittels Drähten verbunden ist, werden diese auch zwischen den Faserlagen verlegt. Nach dem Aushärtevorgang ist der Mikrosensor integraler Bestandteil des Bauteils und beeinträchtigt die Werkstoffeigenschaften nur sehr geringfügig.The method according to the invention thus consists in that at least one microsensor is placed at a certain point between two fiber layers (two prepregs) during the production process, ie preferably between the fiber layers. As far as the microsensor is connected by wires, they are also laid between the fiber layers. After the curing process, the microsensor is an integral part of the component and affects the material properties only very slightly.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Anordnung eines Mikrosensors fast an beliebiger Stelle im Bauteilinneren, wodurch an dieser Stelle Messwerte erfasst und nach außen geliefert werden können. So ist es möglich, Verfahrensparameter während des Herstellungsprozesses zu erfassen, wodurch die Produktion von Ausschuss vermieden wird bzw. Ausschuss frühzeitig festgestellt und ausgesondert werden kann. Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit des Bauteils. Darüber hinaus lassen sich auch die Herstellungskosten reduzieren, weil ein Bauteil mit geringeren Sicherheitsfaktoren gefertigt werden kann, nachdem dessen physikalische Eigenschaften genauer messbar sind.The method according to the invention makes it possible to arrange a microsensor almost anywhere in the component interior, as a result of which measured values can be recorded at this point and supplied to the outside. It is thus possible to detect process parameters during the manufacturing process, thereby avoiding the production of rejects or scrap can be detected early and rejected. This increases the reliability of the component. In addition, the manufacturing cost can be reduced because a component can be manufactured with lower safety factors, after its physical properties are more accurately measurable.

Die Einbringung mindestens eines Mikrosensors während des Herstellungsprozesses geschieht vorzugsweise dadurch, dass dieser zwischen einzelne Prepregs oder Faser-Preformlagen plaziert wird oder an Prepregs/Faser-Preforms zur Anhaftung gebracht wird, wenn diese zur Bildung des Bauteils übereinander gelegt werden.The introduction of at least one microsensor during the manufacturing process is preferably done by placing it between individual prepregs or fiber preform plies or adhering it to prepregs / fiber preforms when these are stacked to form the component.

Unter einem Mikrosensor wird im Rahmen der Erfindung ein Sensor verstanden, der dünner ist als 50 μm. In der Regel aber nicht ausschließlich, wird er auf einer Halbleiterstruktur, insbesondere einer Siliziumschicht eines Wafers gebildet. Beispielsweise lassen sich Temperatursensoren durch aufgesputterte Platin-Filme bilden. Sensoren für mechanische Spannungen lassen sich aus piezoresistiven Silizium-Messbrücken aufbauen. Bei chemischen Sensoren können poröse Materialien zum Einsatz kommen, in die Flüssigkeiten wie insbesondere Wasser, Skydrol (Phosphatester-Verbindungen) oder Kerosin eindringen und dadurch eine messbare Leitfähigkeits- oder Kapazitätsänderung bewirken können. Eine Selektivität bezüglich der zu messenden Substanzen kann durch geeignete Wahl des Sensormaterials bzw. durch eine funktionelle Beschichtung der Poren in den Wänden erreicht werden. Als poröses Material kann insbesondere auch poröses Silizium verwendet werden, das sich durch elektrochemisches Ätzen herstellen lässt. Die Maße eines Mikrosensors liegen etwa im Bereich von (L × B × H) < 1000 μm × < 500 μm × < 50 μm.Under a microsensor is understood within the scope of the invention, a sensor which is thinner than 50 microns. As a rule, but not exclusively, it is formed on a semiconductor structure, in particular a silicon layer of a wafer. For example, temperature sensors can be formed by sputtered platinum films. Sensors for mechanical stresses can be constructed from piezoresistive silicon measuring bridges. In chemical sensors, porous materials may be used, into which liquids such as, in particular, water, skydrol (phosphate ester compounds) or kerosene can penetrate and thereby cause a measurable change in conductivity or capacity. A selectivity with respect to the substances to be measured can be achieved by suitable choice of the sensor material or by a functional coating of the pores in the walls. Porous material which can be used in particular is porous silicon, which can be produced by electrochemical etching. The dimensions of a microsensor are approximately in the range of (L × W × H) <1000 μm × <500 μm × <50 μm.

Vorzugsweise werden mehrere Sensoren in die Bauteilstruktur eingebracht. Dies kann dadurch geschehen, dass Sensoren zur Messung der gleichen Messgröße (z. B. mechanischer Spannungen) an verschiedenen Stellen im Bauteil zur Messung der Spannungen an verschiedenen Stellen plaziert werden. Beispielsweise bei der Bildung eines Rotors für einen Hubschrauber oder ein Propellertriebwerk können mehrere Sensoren entlang der Strömungslängsrichtung oder Querrichtung angeordnet werden, um ein Spannungsprofil im Rotor zu erhalten. Es können auch Sensoren zur Messung verschiedener Stoffe nebeneinander angeordnet werden, um verschiedene Stoffe (z. B. Luftfeuchtigkeit oder Kerosin) gleichzeitig zu messen. Auch kann es sinnvoll sein, Sensoren zur Messung chemischer neben solcher physikalischer Größen, vorzusehen um ein umfassendes Bild vom Zustand des Bauteils zu erhalten.Preferably, a plurality of sensors are introduced into the component structure. This can be done by placing sensors for measuring the same measured variable (eg mechanical stresses) at different points in the component for measuring the voltages at different locations. For example, in forming a rotor for a helicopter or a propeller engine, a plurality of sensors may be arranged along the flow longitudinal direction or transverse direction to obtain a tension profile in the rotor. It is also possible to arrange sensors for measuring different substances next to one another in order to measure different substances (eg air humidity or kerosene) simultaneously. It may also be useful to provide sensors for measuring chemical addition to such physical variables, in order to obtain a comprehensive picture of the state of the component.

Die Mikrosensoren können gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit Anschlusskabeln zum Datentransfer und/oder der Energieübertragung versehen sein. Diese Ausführung ist baulich sehr einfach, weil die Mikrosensoren keine eigenen Bauelemente für den Datentransfer und die Energieübertragung benötigen und damit sehr einfach ausgebildet sein können. Andererseits steht dem die Leitungsführung für die Anschlusskabel als Aufwand und Risiko einer Schädigung während des Herstellungsprozesses bzw. im Einsatz gegenüber, nachdem üblicherweise sehr dünne Anschlusskabel verwendet werden. Und wenn ein Anschlusskabel unterbrochen ist, ist die Reparatur sehr aufwändig bis unmöglich. Auch wenn mehrere Sensoren anzuschließen sind, erhöht sich dadurch der Aufwand an Kabeln und damit der Fertigungsaufwand zur Herstellung des FVK-Bauteils.The microsensors may be provided with connection cables for data transfer and / or energy transfer according to an advantageous development of the invention. This design is structurally very simple, because the microsensors do not need their own components for data transfer and energy transfer and thus can be very easily formed. On the other hand, the cable routing for the connection cables is faced with the expense and risk of damage during the production process or in use, since usually very thin connecting cables are used. And if a connection cable is broken, the repair is very expensive to impossible. Even if several sensors are to be connected, this increases the cost of cables and thus the production costs for the production of the FRP component.

Alternativ erfolgt gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine drahtlose Energieübertragung bzw. ein drahtloser Datentransfer. Diese Variante erfordert einen größeren bzw. komplexeren Aufbau der Mikrosensoren, während der Datentransfer bzw. die Energieübertragung u. U. einfacher gestaltet werden kann. So sind keine Beeinträchtigungen oder Schwächungen durch Leitungsführungen zu befürchten, selbst wenn Sensoren sehr tief im Faserverbundkunststoff angeordnet sind. Die Übertragung der Energie bzw. Signale erfolgt vorzugsweise induktiv oder über elektromagnetische Strahlung (Funk, Licht). Die Datenauslesung kann (insbesondere bei Verwendung von Anschlusskabeln) permanent geschehen oder nur bei Bedarf.Alternatively, according to another advantageous development of the invention, a wireless energy transmission or a wireless data transfer takes place. This variant requires a larger or more complex structure of the microsensors, while the data transfer or the energy transfer u. U. can be made easier. Thus, no impairments or weakenings due to cable guides are to be feared, even if sensors are arranged very deep in the fiber composite plastic. The transmission of energy or signals is preferably carried out inductively or via electromagnetic radiation (radio, light). Data readout can be permanent (especially when using connection cables) or only on demand.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung läßt sich der Mikrosensor mit einem Chip kombinieren, so dass innerhalb des Chips eine intelligente Datenauswertung erfolgt und nur unter bestimmten Umständen (z. B. bei Überschreiten eines Schwellwertes) ein entsprechendes Signal abgegeben wird. Diese Kombination ist vor allem dann vorteilhaft, wenn der Mikrosensor sowieso auf einem Si-Wafer produziert wird und dabei eine Anschlussbeschaltung in Form eines Chips mit produziert werden kann.According to an advantageous development, the microsensor can be combined with a chip so that an intelligent data evaluation takes place within the chip and only under certain circumstances (eg when a threshold value is exceeded) a corresponding signal is emitted. This combination is particularly advantageous if the microsensor is anyway produced on a Si wafer and thereby a connection circuit in the form of a chip can be produced with.

Bei der Verwendung mehrerer Sensoren mit drahtlosem Datentransfer ist es zweckmäßig, wenn die Mikrosensoren individuelle Kennungen aufweisen, um diese von einander zu unterscheiden.When using multiple sensors with wireless data transfer, it is useful if the microsensors have individual identifiers to distinguish them from each other.

Die Signalübertragung aus dem FVK-Bauteil kann sich schwierig gestalten, wenn das Bauteil, z. B. aufgrund verwendeter Kohlefaser, eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweist. Ist der Abstand zwischen Sensor und Oberfläche des FVK-Bauteils nicht zu groß, kann die Signalabschwächung so gering sein, dass eine drahtlose Übertragung trotzdem möglich ist.The signal transmission from the FRP component can be difficult if the component, for. B. due to carbon fiber used, has a certain electrical conductivity. If the distance between the sensor and the surface of the FRP component is not too large, the signal attenuation may be so low that wireless transmission is nevertheless possible.

Eine weitere bevorzugte Möglichkeit der Signalübertragung besteht darin, den Sensor elektrisch mit einzelnen Fasern zu kontaktieren, wodurch die Signale außen am Bauteil an den Enden der Fasern abgegriffen werden können. Es können sogar einzelne Sensorschichten direkt durch Fasern kontaktiert werden, indem eine Sensorschicht partiell mindestens zwei Fasern bedeckt (kein Isolator zwischen Faser und Sensorschicht).Another preferred way of signal transmission is to contact the sensor electrically with individual fibers, whereby the signals can be tapped outside of the component at the ends of the fibers. It is even possible to contact individual sensor layers directly by fibers in that a sensor layer partially covers at least two fibers (no insulator between fiber and sensor layer).

Optimierte drahtlose Übertragung aus dem FVK-Bauteil kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung erreicht werden, wenn der Sensor bzw. die Sendeeinheit so ausgelegt ist, dass das elektrische Feld parallel zur Faserrichtung wirkt. Weiterhin kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung die Sensoreinheit mit Elektronik so gestaltet sein, dass Signale durch induktive Kopplung auf die Fasern übertragen werden, die dann außerhalb des Bauteils ausgelesen werden.Optimized wireless transmission from the FRP component can be achieved according to a further advantageous embodiment of the invention, if the sensor or the transmitting unit is designed so that the electric field acts parallel to the fiber direction. Furthermore, according to a further advantageous embodiment of the invention, the sensor unit with electronics be designed so that signals are transmitted by inductive coupling to the fibers, which are then read out of the component.

Zur sensorischen Erfassung relevanter Parameter können Sensorschichten bestehend aus porösem Material aufgebracht werden. Diese können beschichtet werden, um Selektivität gegenüber unterschiedlichen chemischen Einflüssen zu erreichen. Die Adsorption zu detektierender Stoffe an der Oberfläche des porösen Materials lässt sich kapazitiv oder resistiv erfassen. Feldeffekt-Strukturen erlauben ebenfalls die Erfassung chemischer Parameter. Das Gate lässt sich funktionalisieren, um selektive Detektion zu ermöglichen. Auch diese Prozesse lassen sich in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren großtechnisch umsetzen.For sensory acquisition of relevant parameters, sensor layers consisting of porous material can be applied. These can be coated to achieve selectivity to different chemical influences. The adsorption of substances to be detected on the surface of the porous material can be detected capacitively or resistively. Field effect structures also allow the detection of chemical parameters. The gate can be functionalized to allow selective detection. These processes can also be implemented on a large scale in a roll-to-roll process.

Claims (13)

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundkunststoff (FVK), das eine Messwerterfassung aus dem Bauteilinneren ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mikrosensor während des Herstellungsprozesses des Bauteils zwischen den Faserlagen plaziert wird, der während des Herstellungsprozesses des Bauteils bedeutsame physikalische oder chemische Größen misst, insbesondere den Matrixvernetzungsgrad des Faserverbundkunststoffs, die Steifigkeit, Dämpfungsverhalten, Glasübergangs- oder Kristallinitätstemperaturen.Method for producing a component from a fiber composite plastic (FRP), which allows a measured value detection from the component interior, characterized in that at least one microsensor is placed during the manufacturing process of the component between the fiber layers, which measures significant physical or chemical parameters during the manufacturing process of the component , in particular the matrix crosslinking degree of the fiber composite plastic, the rigidity, damping behavior, glass transition or crystallinity temperatures. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrosensoren verwendet werden, bei denen Datentransfer und Energieübertragung drahtlos erfolgen.A method according to claim 1, characterized in that microsensors are used, in which data transfer and energy transfer take place wirelessly. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrosensor eine der folgenden Messgrößen erfasst: Temperatur, mechanische Spannung, Feuchte, chemische Stoffe wie Treibstoffe (wie Kerosin), Hydraulikflüssigkeit wie Phosphatester-Verbindungen, Waschmittel oder Enteisungsflüssigkeit.Method according to claim 1 or 2, characterized in that a microsensor is one of the The following measured variables are recorded: temperature, mechanical stress, humidity, chemical substances such as fuels (such as kerosene), hydraulic fluid such as phosphate ester compounds, detergents or de-icing fluid. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pregreg- oder trockene Faserformlinge zur Einbringung in die FVK-Struktur mit Aussparungen zur Aufnahme der Mikrosensoren versehen werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that Pregreg- or dry fiber moldings are provided for insertion into the FRP structure with recesses for receiving the microsensors. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosensoren auf Folien erzeugt werden, wobei die Folien als Sensorsubstrat verwendet werden.A method according to claim 1, characterized in that the microsensors are produced on films, wherein the films are used as a sensor substrate. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Faser-Pre-Formen ohne Harz (Faser-Multi-Axial-Gelege bzw. trockene Faser-Vorformlinge) verwendet werden (Resin Transfer Molding).A method according to claim 1, characterized in that fiber pre-forms without resin (fiber multi-axial scrims or dry fiber preforms) are used (Resin Transfer Molding). Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Folien dünne Thermoplaste eingelegt werden, wobei diese Zusatzfolien vorzugsweise als Substrat für die Sensoren verwendet werden.A method according to claim 5 or 6, characterized in that between the films thin thermoplastics are inserted, these additional films are preferably used as a substrate for the sensors. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Folien vor der Verarbeitung zu FVK-Bauteilen einen Rolle-zu-Rolle-Prozess durchlaufen, bei dem unterschiedliche Schichten und Materialien partiell aufgebracht werden, insbesondere eine hybride Integration von Bauelementen wie rückgedünnten Elektronik-Chips erfolgt.Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that the films used prior to processing to FRP components undergo a roll-to-roll process in which different layers and materials are partially applied, in particular a hybrid integration of components such back-thinned electronics chips. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mikrosensor elektrisch mit einzelnen Fasern kontaktiert wird, wodurch die Signale außen am Bauteil an den Enden der Fasern abgegriffen werden können.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one microsensor is electrically contacted with individual fibers, whereby the signals can be tapped on the outside of the component at the ends of the fibers. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Sensorschichten direkt durch Fasern kontaktiert werden, indem eine Sensorschicht partiell mindestens zwei Fasern bedeckt.A method according to claim 9, characterized in that individual sensor layers are contacted directly by fibers by a sensor layer partially covers at least two fibers. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine drahtlose Signalübertragung von dem mindestens einen Mikrosensor aus dem FVK-Bauteil dadurch bewirkt wird, dass der Sensor bzw. dessen Sendeeinheit so ausgelegt wird, dass das elektrische Feld parallel zur Faserrichtung wirkt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a wireless signal transmission from the at least one microsensor from the FRP component is effected in that the sensor or its transmitting unit is designed so that the electric field acts parallel to the fiber direction. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Signale von dem mindestens einen Mikrosensor durch induktive Kopplung auf die Fasern übertragen werden, die dann außerhalb des Bauteils ausgelesen werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that signals from the at least one microsensor are transmitted by inductive coupling to the fibers, which are then read out of the component. Bauteil aus Faserverbundwerkstoff (FVK), dadurch gekennzeichnet, dass dieses nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.Component made of fiber composite material (FRP), characterized in that it is produced by a method according to one or more of the preceding claims.
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