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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Faserverbund-Aufnahmekörper mit einer Kunststoffmatrix, in die Fasern eingebettet sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Faserverbund-Aufnahmekörpers.
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Aus der europäischen Patentanmeldung
EP 2 058 527 A2 ist ein Faserverbund-Aufnahmekörper bekannt, der als Hochdruckzylinder in Leichtbauweise ausgeführt ist. Der bekannte Faserverbund-Aufnahmekörper enthält eine Kunststoffmatrix, in welche Fasern eingebettet sind. Die Fasern werden zum Beispiel auf einen Grundkörper aufgewickelt und mit einem flüssigen Kunststoffmatrixmaterial bestrichen. Das flüssige Kunststoffmatrixmaterial wird, zum Beispiel unter Wärmezufuhr, ausgehärtet beziehungsweise vernetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Faserverbund-Aufnahmekörper mit einer Kunststoffmatrix, in die Fasern eingebettet sind, und mit einer Sensoreinrichtung zu schaffen, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe ist bei einem Faserverbund-Aufnahmekörper mit einer Kunststoffmatrix, in die Fasern eingebettet sind, dadurch gelöst, dass mindestens eine Sensoreinrichtung, zumindest teilweise, in die Kunststoffmatrix eingebettet ist. Die Sensoreinrichtung wird gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung nicht in die ausgehärtete Kunststoffmatrix eingebracht, sondern, in gleicher oder ähnlicher Weise wie die Fasern, einlaminiert. Die Sensoreinrichtung wird dabei mit noch nicht ausgehärtetem Kunststoffmatrixmaterial umgeben. Durch das Aushärten beziehungsweise Vernetzen des Kunststoffmatrixmaterials wird die Sensoreinrichtung, zumindest teilweise, stabil in die Kunststoffmatrix eingebettet. Dadurch kann eine spanende Bearbeitung, zum Beispiel durch Bohren, entfallen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Faserverbund-Aufnahmekörpers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung einen Dehnungsmessstreifen umfasst, der in die Kunststoffmatrix eingebettet ist. Der Dehnungsmessstreifen kann auf einfache Art und Weise vollständig in die Kunststoffmatrix eingebettet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Faserverbund-Aufnahmekörpers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung einen Temperatursensor und/oder einen Drucksensor umfasst, die beziehungsweise der eine Temperatur beziehungsweise einen Druck im Inneren des Faserverbund-Aufnahmekörpers erfassen beziehungsweise erfasst. Der Temperatursensor und/oder Drucksensor kann in das Innere des Faserverbund-Aufnahmekörpers ragen beziehungsweise mit der Temperatur beziehungsweise dem Druck im Inneren des Faserverbund-Aufnahmekörpers beaufschlagt sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Faserverbund-Aufnahmekörpers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung einen Wegsensor und/oder einen Positionssensor umfasst, die beziehungsweise der einen Weg beziehungsweise eine Position eines im Inneren des Faserverbund-Aufnahmekörpers bewegbaren Elements erfassen beziehungsweise erfasst. Der Faserverbund-Aufnahmekörper kann als Fluidzylinder, insbesondere als Hydraulikzylinder oder als Pneumatikzylinder, ausgeführt sein. Bei dem bewegbaren Element kann es sich um einen Kolben handeln, der im Inneren des Faserverbund-Aufnahmekörpers hin und her bewegbar geführt beziehungsweise aufgenommen ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Faserverbund-Aufnahmekörper handelt es sich vorzugsweise um einen Hochdruckbehälter, der zum Beispiel als Gasspeicher oder als Hydraulikspeicher, insbesondere in einer mobilen Anwendung, verwendet wird. Der Faserverbund-Aufnahmekörper kann beispielsweise in gasbetriebenen Fahrzeugen, in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle oder in hydraulisch angetriebenen Fahrzeugen beziehungsweise Fahrzeugen mit einem hydraulischen Hybridantrieb verwendet werden. Die Sensoreinrichtung dient zum Beispiel zur Erfassung der Temperatur und/oder des Drucks eines Fluids im Inneren des Aufnahmekörpers.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Faserverbund-Aufnahmekörpers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung Drähte, Leitungen, Kabel, Stecker und/oder Spulen umfasst, die, zumindest teilweise, in die Kunststoffmatrix eingebettet sind. Bei den Leitungen handelt es sich zum Beispiel um Signalleitungen und/oder Versorgungsleitungen, die an einen Sensor der Sensoreinrichtung, angeschlossen sind. Die Spule dient zum Beispiel dazu, ein Magnetfeld beziehungsweise ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das zur Erfassung der Position oder des Weges eines bewegbaren Elements im Inneren des Faserverbund-Aufnahmekörpers verwendet wird. Das von den Spulen erzeugte Feld verändert sich in Abhängigkeit von der Position des bewegbaren Elements, das vorzugsweise vollständig oder teilweise aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Faserverbund-Aufnahmekörpers ist die vorab angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Sensoreinrichtung vor einem Aushärten oder Vernetzen der Kunststoffmatrix in der Kunststoffmatrix angeordnet beziehungsweise mit der Kunststoffmatrix und/oder den Fasern umgeben wird. Die Sensoreinrichtung wird also nicht nachträglich montiert, sondern direkt beim Herstellen des Faserverbund-Aufnahmekörpers mit den Fasern in die Kunststoffmatrix eingebettet. Das liefert den Vorteil, dass der Aufnahmekörper nicht durch Bohrungen oder sonstige Öffnungen geschwächt wird, in welche die Sensoreinrichtung eingebracht wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Sensoreinrichtung auf einfache Art und Weise innerhalb einer Wandung des Faserverbund-Aufnahmekörpers angeordnet werden. Die Sensoreinrichtung kann besonders vorteilhaft nahe an einem Fluid im Inneren des Aufnahmekörpers angeordnet werden. Besonders vorteilhaft kann die Sensoreinrichtung direkt im Fertigungsprozess zur Erfassung von Prozessparametern genutzt werden. Bei den Prozessparametern handelt es sich zum Beispiel um Temperaturen oder Verformungen. Die Anordnung der Sensoreinrichtung innerhalb der Wandung des Aufnahmekörpers ermöglicht darüber hinaus eine Überwachung von Zustandsgrößen in dem Aufnahmekörper im Betrieb.
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Wenn die Sensoreinrichtung einen Dehnungsmessstreifen umfasst, können kritische Verformungen im Betrieb des Aufnahmekörpers erkannt werden, bevor die Verformungen im Betrieb einen Fehler verursachen. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Sensoreinrichtung ein Alterungsprozess überwacht werden. Darüber hinaus können mit Hilfe der Sensoreinrichtung Unfall- oder Transportschäden erkannt werden. Die Sensoreinrichtung kann zu Kontroll- und Wartungszwecken genutzt werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung zusammen mit den Fasern in der Kunststoffmatrix angeordnet beziehungsweise von der Kunststoffmatrix und/oder den Fasern umgeben wird. Besonders vorteilhaft werden die Fasern mit der Sensoreinrichtung in einem Arbeitsgang in die Kunststoffmatrix eingebracht beziehungsweise von der Kunststoffmatrix umgeben.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung positioniert wird, bevor die Fasern in die Kunststoffmatrix eingebracht werden. Die Sensoreinrichtung kann zum Beispiel an einer Form oder an einer Montagehilfsvorrichtung angebracht werden, die später entfernt wird. Die Sensoreinrichtung kann auch an einem Grundkörper angebracht werden, auf den die Kunststoffmatrix mit den Fasern aufgebracht wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung während eines Laminiervorgangs in die Kunststoffmatrix eingebracht beziehungsweise von der Kunststoffmatrix und/oder den Fasern umgeben wird. Während des Laminiervorgangs werden die Fasern, zum Beispiel durch Wickeln, oder durch Aufziehen eines Gewebeschlauchs, der aus den Fasern gebildet ist, in die Kunststoffmatrix eingebettet beziehungsweise von dieser umgeben.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung in eine der ersten von mehreren Wicklungslagen eingebracht wird. Die Wicklungslagen umfassen Endlosfasern, mit denen eine Form, eine Montagehilfsvorrichtung oder ein Grundkörper umwickelt werden.
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Die Fasern und die Sensoreinrichtung werden vor dem Aushärten der Kunststoffmatrix in diese eingebracht beziehungsweise von dieser umgeben. Durch Wärmezufuhr und/oder Druckbeaufschlagung, zum Beispiel in einem Autoklaven, wird das Kunststoffmatrixmaterial ausgehärtet, um die Fasern und die Sensoreinrichtung in die Kunststoffmatrix einzubetten. Dabei kann besonders vorteilhaft die Verfahrenstemperatur in dem Kunststoffmatrixmaterial überwacht werden, wenn die Sensoreinrichtung einen Temperaturfühler umfasst. Darüber hinaus können mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen Spannungen in dem Kunststoffmatrixmaterial beim Aushärten erfasst werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung zur Prozessüberwachung und/oder Prozesssteuerung im Herstellprozess genutzt wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung zur Überwachung des Betriebszustands des Faserverbund-Aufnahmekörpers genutzt wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung zur Überwachung von Beschädigung und/oder Alterung des Faserverbund-Aufnahmekörpers genutzt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
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1 einen Faserverbund-Aufnahmekörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einlaminierten Spulen und
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2 einen Faserverbund-Aufnahmekörper gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einlaminierten Dehnungsmessstreifen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den 1 und 2 sind jeweils in einer Draufsicht und im Längsschnitt zwei Faserverbund-Aufnahmekörper 1; 41 dargestellt. Die Faserverbund-Aufnahmekörper 1; 41 umfassen jeweils einen Grundkörper 4, der die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels aufweist. Der Grundkörper 4 ist an beiden Enden offen, kann aber gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch an einem Ende oder beiden Enden geschlossen ausgeführt sein.
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An einem Ende des Grundkörpers 4 ist ein Bund 6 ausgebildet, der einstückig mit dem Grundkörper 4 verbunden ist. Der Bund 6 dient zum Beispiel dazu, den Faserverbund-Aufnahmekörper 1; 41 in einem Fahrzeug zu montieren. Der Grundkörper 4 ist relativ dünnwandig zum Beispiel aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff gebildet. Zur Verstärkung ist der Grundkörper 4 radial außen von einer Kunststoffmatrix 8 umgeben, in die Fasergewebe 9 eingebettet ist.
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Das Fasergewebe 9 umfasst vorzugsweise Endlosfasern, die in Form eines Gewebeschlauchs auf den Grundkörper 4 aufgebracht werden können. Das Fasergewebe 9 kann auch schichtweise oder lagenweise auf den Grundkörper 4 gewickelt werden. Das schichtweise oder lagenweise Aufbringen des Fasergewebes 9 wird auch als Laminieren bezeichnet.
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Im Inneren des Faserverbund-Aufnahmekörpers 1; 41 ist ein Kolben 10 hin und her bewegbar aufgenommen. Von dem Kolben 10 geht eine Kolbenstange 12 aus, die sich aus dem Inneren des Faserverbund-Aufnahmekörpers 1; 41 heraus nach außen erstreckt.
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Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung werden beim Laminieren, also vor dem Aushärten der Kunststoffmatrix 8 Sensoreinrichtungen 14 bis 20; 44, 45 sowie Leitungen 21, 22; 51, 52 in die Kunststoffmatrix 8 eingebettet. Die Sensoreinrichtungen und Leitungen werden also direkt einlaminiert.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die Sensoreinrichtungen 14 bis 20 Spulen, die zusammen mit den notwendigen Leitungen 21, 22 in die Kunststoffmatrix 8 einlaminiert sind. Die Spulen dienen dazu, die Position des Kolbens 10 in dem Faserverbund-Aufnahmekörper 1 berührungslos zu erfassen. Das Einlaminieren der Spulen und der Leitungen 21, 22 hat den Vorteil, dass die Sensoreinrichtungen 14 bis 20 und die Leitungen 21, 22 vor Beschädigungen geschützt sind.
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Die Leitungen 21, 22 sind an dem dem Bund 6 abgewandten Ende des Grundkörpers 4 aus der Kunststoffmatrix 8 heraus geführt und können dort kontaktiert werden. Zum Anschließen oder Kontaktieren der Leitungen 21, 22 kann ein (nicht dargestelltes) Steckerelement verwendet werden. Das Steckerelement kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ebenfalls, ganz oder teilweise, in die Kunststoffmatrix 8 einlaminiert werden.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Sensoreinrichtungen 44, 45 als Dehnungsmessstreifen ausgeführt, die vollständig in die Kunststoffmatrix 8 eingebettet sind. Die Dehnungsmessstreifen 44, 45 sind in axialer Richtung angeordnet. Alternativ oder zusätzlich können die oder weitere Dehnungsmessstreifen radial oder diagonal angeordnet werden. Die Dehnungsmessstreifen 44, 45 können zur indirekten Druckerfassung über die Behälterdehnung genutzt werden.
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Außerdem können mit Hilfe der Dehnungsmessstreifen 44, 45 kritische Verformungen des Faserverbund-Aufnahmekörpers 41 aufgrund von Systemfehlern oder eines Unfalls erfasst werden. Darüber hinaus können mit Hilfe der Dehnungsmessstreifen 44, 45 alterungsbedingte Veränderungen des Faserverbund-Aufnahmekörpers 41 erfasst, kontrolliert beziehungsweise überwacht werden. Durch einen Vergleich von Verformungssollwerten mit gemessenen Verformungen unter einem definierten Druck können auf einfache Art und Weise alterungsbedingte Veränderungen erfasst werden.
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Gemäß einem besonders kostengünstigen Ausführungsbeispiel können die Sensoreinrichtungen 44, 45 auch einfache Drähte umfassen, die in einem Schadensfall reißen, was von außen sichtbar ist. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Drähte einzufärben und in eine durchsichtige Kunststoffmatrix 8 einzubetten.
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Die als Dehnungsmessstreifen ausgeführten Sensoreinrichtungen 44, 45 sind über Leitungen 51, 52 mit einer Steuerungs- und/oder Messeinrichtung verbunden. Die Leitungen 51, 52 sind in die Kunststoffmatrix 8 eingebettet. An dem dem Bund 6 abgewandten Ende des Faserverbund-Aufnahmekörpers 41 sind die Leitungen 51, 52 aus der Kunststoffmatrix 8 heraus geführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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