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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Designs und der Herstellung von Fabry-Perot-Fasersensoren. Derartige Strukturen sind für die Verwendung als robuste sensitive Elemente, insbesondere als Dehnungssensoren prädestiniert.
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Gemäß etabliertem Design umfasst ein typischer Fabry-Perot-Fasersensor eine Kapillare und zwei einander gegenüber stehende Faserenden, deren Stirnflächen als Spiegel wirken und gemeinsam einen optischen Resonator bilden. Ein solcher faseroptischer Sensor ist in
DE 42 23 625 A1 beschrieben. Die Montage der Komponenten erfolgt mit teils hochkomplexen Werkzeugen typischerweise ausschließlich manuell. Dabei sind äußerste Konzentration sowie besondere visuelle und feinmotorische Fähigkeiten erforderlich. Ein geübter Techniker benötigt für die Fertigung eines derartigen Sensors mindestens 20 Minuten. Die ausschließlich manuelle Fertigung macht aber auch jeden Sensor zum Unikat. Standardisierte Sensorelemente lassen sich in großen Stückzahlen jedoch nur mittels weitestgehend automatisierten Fertigungsverfahren kosteneffizient herstellen.
In
DE 39 16 350 A1 wird eine Einrichtung zur automatischen Überprüfung einer Kraftübertragung von mechanischen Verbindungs- bzw. Befestigungselementen, insbesondere für explosionsgefährdete Anlagen, mit einem elektrischen oder optischen Drucksensor in Form einer Beilegescheibe beschrieben.
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Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zur Herstellung eines Fabry-Perot-Fasersensors nach Anspruch 1 und nach Anspruch 12, ein Fabry-Perot-Fasersensor nach Anspruch 13 ein optisches Interferenzfilter nach Anspruch 17, ein Verfahren zur Bauteilüberwachung nach Anspruch 18, und eine Vorrichtung nach Anspruch 19 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein Herstellungsverfahren für einen Fabry-Perot-Fasersensor vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen eines Gehäusematerials;
- - Bereitstellen einer optischen Faser, wobei die optische Faser eine Sollbruchstelle aufweist;
- - Ausbilden eines Gehäuses aus dem Gehäusematerial auf solche Weise, dass die Sollbruchstelle vom Gehäusematerial umschlossen ist,
- - Trennen der optischen Faser an der Sollbruchstelle, sodass die im Bereich der Sollbruchstelle von Gehäusematerial umschlossene optische Faser zwei Bruchflächen aufweist, die in einem von Gehäusematerial umschlossenen Hohlraum parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Die Oberflächengüte der Bruchflächen ist, bedingt durch den glatten Bruch der Faser, so hoch, dass die Bruchflächen optische Spiegelflächen sind. Im Hohlraum sind die zwei, von Gehäusematerial umschlossenen Bruchflächen der optischen Faser zueinander planparallel ausgerichtet, sodass der Hohlraum als Resonatorhohlraum wirkt: Beim Einkoppeln eines entsprechenden optischen Signals in eines der Faserenden sind die im Hohlraum über einen dann als Resonatorlänge wirkenden Abstand zueinander planparallel angeordneten Bruchflächen als Fabry-Perot-Interferometer einsetzbar.
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Vorteile ergeben sich aus der Einfachheit des Verfahrens, daraus resultierenden geringen Herstellungskosten und der extremen Robustheit des erhaltenen Fasersensors. Das Gehäuse schützt die funktionsbestimmenden Komponenten zuverlässig vor Verunreinigung in Form von Staubpartikeln oder sich auf den Spiegelflächen nachteilig auswirkenden Schichtbildungen / Kondensation und ähnlichem. Das Trennen der Faser erfolgt letztlich durch die Einwirkung einer definierten Zugkraft auf die vom Gehäusematerial zumindest im Bereich der Störstelle umschlossene Faser.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Verfahrensschritt „Ausbilden des Gehäuses“ das Ausbilden einer Axialführung für die optische Faser; das Einlegen der optischen Faser in die Axialführung, sodass die optische Faser in einem Bereich vor und hinter der Sollbruchstelle in der Axialführung liegt; und das Bedecken der in die Axialführung eingelegten optischen Faser mit Gehäusematerial und Ausbilden des Gehäuses, wobei das Gehäuse die Axialführung umschließt.
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Vorteile einer Axialführung bestehen insbesondere in der zuverlässigen spannungsfreien Lage der optischen Faser im anschließend weiter aufgebauten Gehäuse und einer versatzfreien Ausrichtung der beiden im Gehäuse abschließend erzeugten Bruchflächen (Spiegelflächen). Erstens bleiben die Bruchflächen planparallel zueinander ausgerichtet und zweitens steht jeweils die volle Spiegelfläche (das jeweils volle Signal) zur Verfügung, da die Axialführung keinen Versatz der beim Brechen im Gehäuseinneren erzeugten Stirnflächen der beiden Faserenden zulässt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens wird die optische Faser von dem Gehäusematerial zumindest abschnittsweise formschlüssig gefasst. Die Faser selbst dient somit als Formkern für das Gehäuse und für den Resonatorraum des Fabry-Pérot Interferometers.
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Vorteilhafte technische Wirkungen betreffen die präzise Führung der vom Gehäusematerial umschlossenen Faserabschnitte und die resultierende Güte des Interferometers.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Trennen der optischen Faser durch eine Zugbeanspruchung des Gehäuses (10) entlang einer Achse der Faser, insbesondere entlang der Längsachse der optischen Faser. Die Zugbeanspruchung wird durch den überwiegend vorliegenden Formschluss von Gehäuse und des vom Gehäuse umgebenen Faserabschnitts direkt auf die optische Faser übertragen.
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Vorteile ergeben sich aus der Ausbildung einer an vorbestimmter Stelle im Gehäuse angeordneten Resonatorstruktur: Die aufgebrachte Zuglast führt zum Brechen der Faser, wobei der Bruch von der vorliegenden lokalen Vorschädigung (Sollbruchstelle) ausgeht. Gleichzeitig wird zumindest eines der beim Bruch entstehenden Faserenden geringfügig relativ zum Gehäuse in Längs-Richtung bewegt, das zurückweichende Faserende gibt somit einen Abschnitt der Axialführung und des die in der Axialführung liegende Faser umgebenden Gehäuseteils frei. Somit verbleiben nach dem Bruch die beiden Bruchflächen in einem geringfügigen Abstand zueinander. Vorteilhaft erlaubt es die Kenntnis der viskoelastischen Eigenschaften des Gehäusematerials, die Kenntnis der Haltekraft des Gehäuses im Kontakt mit der Ummantelung der optischen Faser und die exakt gewählte Zugbeanspruchung (Kraft, Verfahrweg), reproduzierbare Abstandswerte der Bruchflächen zueinander einzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Ausbilden des Gehäuses aus dem Gehäusematerial zumindest teilweise unter Verwendung eines Urform-Verfahrens: Gießen, Spritzgießen, Extrudieren, Sintern, oder 3D-Drucken.
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Vorteilhafte technische Wirkungen ergeben sich für die Schnelligkeit, Reproduzierbarkeit, Automatisierbarkeit und die materialsparende und somit kostengünstige Herstellung der Fasersensoren.
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Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das 3D-Drucken ausgewählt unter: Fused Deposition Modeling bzw. FDM bzw. Schmelzschichtung und/oder Fused Filament Fabrication bzw. FFF, wobei das Gehäusematerial ein Filamentmaterial umfasst.
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Die Einfachheit und resultierende Robustheit dieser additiven Verfahren prädestiniert sie für den vor-Ort-Einsatz, insbesondere für eine kurzfristig durchführbare Anpassung an lokale Gegebenheiten der aktuellen Messsituation.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Gehäuse ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil. Beide Gehäuseteile sind miteinander verbunden, wobei die Verbindung zwischen beiden in einem integrierten Festkörpergelenk und einem Abschnitt der optischen Faser besteht. Das Festkörpergelenk kann insbesondere mit einem zumindest partiell elastischen Gehäusematerial kombiniert werden oder die Funktion des Festkörpergelenks kann auch vollständig durch ein solches übernommen werden.
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Vorteile ergeben sich daraus, dass einerseits Festkörpergelenke jeglicher bekannten Form die Verbindung der beiden Gehäuseteilen herstellen können. Andererseits kann die Funktion des Festkörpergelenks auch durch ein integriertes gummielastisches Element erfüllt werden, wenn das Gehäusematerial ein Elastomer umfasst, das Gehäuse also „an sich gelenkig“ ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Trennen der optischen Faser durch eine Zugbeanspruchung beider Gehäuseteile, die sich auf die optische Faser überträgt.
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Vorteile ergeben sich aus der mit einer reproduzierbar einstellbaren Zugbeanspruchung (Kraft und/oder Verfahrweg) bei ansonsten identischen Parametern (z.B. Gehäusematerial, Gehäuseform, zur Herstellung des Gehäuses genutzte Technologie, Faser) wiederholt erreichbare optische Parameter unterschiedlicher Fasersensoren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens umfasst die Sollbruchstelle eine geringfügige mechanische bzw. strukturelle Vorschädigung der optischen Faser, wie sie gemäß bekannten Verfahren, beispielsweise durch Ritzung (mittels Cleaver) in eine Faser einbringbar ist.
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Vorteile ergeben sich aus der Verfügbarkeit praxiserprobter Faser-Cleaver. Diese Geräte sind einfach zu handhaben und liefern reproduzierbare Ergebnisse, d.h. einen glatten Faserbruch. Im Unterschied zum üblichen Gebrauch des Cleavers wird die Faser hier nur mittels Cleaver geritzt, aber nicht im Cleaver gebrochen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren weiterhin ein zumindest abschnittsweises Fixieren der optischen Faser im bzw. zum Gehäuse. Dabei kann das abschnittsweise Fixieren durch ein thermisch ausgelöstes Schrumpfen des Gehäusematerials erreicht werden. Ebenso kann ein Adhäsiv, insbesondere ein UV-härtender Klebstoff das Fixieren bewirken.
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Neben einem durch Schrumpf bewirkten Klemmen der Faser kann das Fixieren z.B. auch mit einem die Faser benetzenden oder in Umfangsrichtung umgebenden KlebstoffTropfen erfolgen. Der Klebstofftropfen kann nach der Fertigstellung des Gehäuses in eine Ausnehmung im Gehäuse eingebracht werden, an der ein Abschnitt der Faser freiliegt. Ebenso kann am Fasereintritts-/Faseraustrittsort in das / aus dem Gehäuse ein Adhäsiv aufgebracht werden. Im Falle eines UV-härtenden Klebstoffs kann der Klebertropfen kurzzeitig gegenüber UV-Licht, oder Blaulicht von ~ 400 nm Wellenlänge exponiert werden. Zahlreiche handelsübliche UV-härtende Klebstoffe mit einem entsprechenden Katalysatorsystem härten unter diesen Bedingungen innerhalb kürzester Zeit aus. Ebenso können andere Klebstoffe verwendet werden, beispielsweise zwei-Komponenten-Klebstoffe.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt der Abstand zwischen den zwei erzeugten Bruchflächen der Faser im Bereich von 20 µm bis 3000 µm, insbesondere im Bereich zwischen 25 µm bis 1800 nm, bevorzugt im Bereich von und 50 µm und 1000 µm.
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Diese Werte können jetzt rechnergestützt vorgegeben und ohne zusätzliche optische Kontrolle beliebig erzeugt werden. Bisher wird der Abstand der Bruchflächen vorzugsweise innerhalb einer Glaskapillare optisch einjustiert (z.B. mit Hilfe eines Messmikroskops) und extern fixiert. Gemäß dem hier vorgeschlagenen Prinzip wird ausgehend von einer aktiven Verformung des Gehäuses mit der darin eingebetteten Faser an einer Sollbruchstelle die Faser so gebrochen, dass ein definierter Abstand der Bruchflächen resultiert. Eine gesonderte Kapillare ist nicht erforderlich. Somit erlaubt es die exakte Kontrolle weniger äußerer Parameter (Elastizitätsmoduln, Temperatur, Kraft/Verfahrweg), den gewünschten Abstandswert reproduzierbar zu erzeugen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Gehäusematerial dem Verfahrensschritt „Ausbilden des Gehäuses“ angepasst. Beispielsweise kann das Gehäusematerial ausgewählt sein unter einem thermoplastischen Elastomer, beispielsweise unter Polymilchsäure bzw. PLA, unter Acrylonitril-Butadien-Styren Copolymer bzw. ABS, Nylon, einem Polyethylen, einem Polypropylen, einem gummielastischen Material wie beispielsweise NinjaFlex des Herstellers Fenner Drives, einem reibungsverminderten Material wie beispielsweise TriboFilament der igus GmbH.
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Vorteile ergeben sich aus den viskoelastischen Eigenschaften dieser Polymere. Einerseits sind diese Materialien mit einer additiven Aufbautechnik verarbeitbar, beispielsweise mittels 3-D-Druck oder Spritzguss. Andererseits sind diese Materialien elastisch verformbar und erlauben so erforderlichenfalls eine kompakte einstückige Bauweise des Gehäuses unter Verzicht auf ein Festkörpergelenk. Gummielastische Materialien - beispielsweise verschiedene Polyolefine und reibungsverminderte Polymere - beispielsweise Polyoxymethylen (Acetal) sind kommerziell verfügbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Fabry-Pérot-Fasersensor vorgeschlagen, der ein Gehäuse, eine Zuleitungsfaser und eine Reflexionsfaser umfasst. Die Zuleitungsfaser des Interferometers endet im Gehäuse, die Reflexionsfaser des Interferometers verlässt das Gehäuse, und das Gehäusematerial dient zumindest abschnittsweise als Klemmung und Axialführung, indem es eine Stirnfläche der Zuleitungsfaser und eine dieser parallel gegenüberliegende Stirnfläche der Reflexionsfaser unter Ausbildung eines optischen Resonators umschließt. Damit umfasst das Gehäuse eine optische Reflektorstruktur, insbesondere ein Fabry-Pérot-Interferometer.
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Vorteile ergeben sich aus der kompakten Bauweise eines derartigen Fasersensors, seiner Robustheit und der damit erreichten größtmöglichen Betriebssicherheit bzw. Störungsfreiheit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Gehäuse des vorgeschlagenen Fabry-Pérot-Fasersensors zumindest abschnittsweise an eine Oberfläche einer Messstelle angepasst. Diese Anpassung umfasst insbesondere das Profil bzw. die Oberflächengestalt einer Fläche des Gehäuses. Die (topographische) Oberflächengestalt des Gehäuses erlaubt eine im Wesentlichen formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zumindest zu einem Abschnitt der Messstelle.
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Vorteile ergeben sich aus dem direkten und verlustfreien Einkoppeln von abschnittsweisen Verschiebungen an der Messstelle in den Fasersensor. Beispielsweise kann eine Rissausweitung oder die Änderung einer Fugenweite zuverlässig erfasst und gemessen werden. Ebenso kann - bei Verwendung einer entsprechenden Geräteperipherie - eine zeitliche, ggf. von einem Betriebszustand abhängige, Änderung einer Fugenweite oder Rissbreite erfasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Gehäuse des Fabry-Pérot-Fasersensors zumindest abschnittsweise additiv aufbaubar.
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Vorteile ergeben sich aus der Flexibilität additiver Fertigungsverfahren. Moderne additive Fertigungsverfahren lassen sich typischerweise rechnergestützt unmittelbar durch den Nutzer modifizieren. Sie können bei geringstem Aufwand somit verschiedenen, stets individuellen Messsituationen angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Fabry-Pérot-Fasersensorgemäß einem der vorstehend vorgeschlagenen Herstellungsverfahren herstellbar.
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Vorteilhaft sind geringe Herstellungskosten bei hoher Reproduzierbarkeit der Sensor-Parameter, insbesondere hinsichtlich Sensitivität und Reproduzierbarkeit der Messungen und der möglichen Nutzungsdauer (Standzeit) des Fasersensors.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Fabry-Pérot-Fasersensor zumindest zwei Mitnehmerstrukturen und/oder Durchgangsöffnungen zur Einbettung in und/oder zur Befestigung an einem Messobjekt auf.
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Vorteile ergeben sich für größtmögliche Flexibilität in der Anwendung. Der Sensor kann vollständig in eine Struktur eingebettet werden, aber auch auf einer Außenseite eines zu überwachenden Bauteils angebracht werden. Typischerweise wird der Fasersensor an einem für das Versagensverhalten eines Bauteils kritischen Ort angeordnet. Betreffende Bauteile können sowohl Tragwerke von Ingenieurbauten sein, beispielsweise Betonbauteile, Bauwerke, Brücken, Gründungsstrukturen. Ebenso können aus Verbundmaterialien aufgebaute Funktionselemente, die im Betrieb einer Wechselbeanspruchung ausgesetzt sind, mit einem oder mehreren Fasersensoren ausgerüstet und periodisch zeitweise oder dauerhaft vermessen und/oder überwacht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein optischer Interferenzfilter bereitgestellt, der ein Gehäuse und ein im Gehäuse integriert erzeugbares Fabry-Pérot Interferometer umfasst, wobei das Fabry-Pérot Interferometer gemäß den oben näher erläuterten Verfahrensschritten herstellbar ist.
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Optische Interferenzfilter kommen in verschiedensten Messszenarien zur Anwendung. Hier stehen Anwendungen der zerstörungsfreien Prüfung im Vordergrund.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Bauteilüberwachung mit Hilfe des beschriebenen Fabry-Pérot-Fasersensors vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Maßliches Erfassen eines Oberflächenabschnitts, umfassend eine Messstelle des zu überwachenden Bauteils;
- - Erstellen eines virtuellen Modells des betreffenden Oberflächenabschnitts des zu überwachenden Bauteils;
- - Einbinden des virtuellen Modells in ein Steuerprogramm zur Steuerung eines FFF-3D-Druckers, der programmtechnisch eingerichtet ist, einen Fabry-Pérot-Fasersensorgemäß den vorstehend erläuterten Ausführungsformen herzustellen;
- - Herstellen des Fabry-Pérot-Fasersensors, wobei eine Oberfläche des Fabry-Pérot-Fasersensors zumindest abschnittsweise dem Oberflächenabschnitt des zu überwachenden Bauteils entspricht;
- - Befestigen des Fabry-Pérot-Fasersensors an der Oberfläche des zu überwachenden Bauteils.
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Vorteile ergeben sich aus der Flexibilität des Messverfahrens. Gerade die genaue Anpassung des Fasersensors an eine aktuell vorliegende Messsituation sichert eine größtmögliche Genauigkeit und Relevanz der erhobenen Messdaten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die angepasst ist zur Verwendung in einem Herstellungsverfahren des vorstehend beschriebenen Fasersensors bzw. Fabry-Pérot-Interferometers. Die Vorrichtung umfasst eine zweiteilige Arbeitsfläche. Ein erster Teil der Arbeitsfläche ist, in Relation zur Vorrichtung, ortsfest angeordnet. Ein zweiter Teil der Arbeitsfläche ist entlang einer Achse in der Ebene, in welcher auch der erste Teil der Arbeitsfläche liegt, beweglich. Dieser zweite Teil der Arbeitsfläche ist mithin relativ zum ersten Teil der Arbeitsfläche linear verschiebbar
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Vorteile ergeben sich daraus, dass die zum gezielten Faserbrechen erforderliche Zugbelastung des Gehäuses direkt nach Fertigstellung des Gehäuses vorgenommen werden kann. Das erlaubt die Herstellung von Reflektorstrukturen mit reproduzierbar einstellbaren Reflektorlängen (Spiegelabständen).
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die vorgeschlagene Vorrichtung eine Zugvorrichtung, die so eingerichtet ist, dass der zweite Teil der Arbeitsfläche um einen definierten Abstand versetzt werden kann. Auf diese Art und Weise kann ein definierter Verfahrweg des zweiten Teils der Arbeitsfläche eingestellt werden. Die auf der Arbeitsfläche herstellungsbedingt verankerte Gehäusestruktur kann somit um einen definierten Betrag gestreckt werden.
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Vorteile ergeben sich aus der geringen Streuung der Kenndaten seriell erhaltener Fasersensoren. Bei entsprechender Auslegung der Vorrichtung und Anpassung des Steuerprogramms des verwendeten 3D-Druckers kann die Vorrichtung angepasst sein zur parallelen Herstellung mehrerer, ansonsten identischer Fasersensoren. Mit einer solchen Vorrichtung können zumindest kleinere Losgrößen von Fasersensoren bereitgestellt werden, die hinsichtlich ihrer optischen Charakteristika im Wesentlichen identisch sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung bewirkt die reproduzierbar einstellbare Verschiebung der beiden Arbeitsflächen in einer Ebene entlang einer Geraden bzw. der reproduzierbar realisierbare Verfahrweg die Zugbeanspruchung des Gehäuses, welche die optische Faser an der Sollbruchstelle unter Ausbildung von zwei Bruchflächen trennt, sodass ein Resonatorhohlraum zwischen den zwei Bruchflächen im Gehäuse erzeugt wird.
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Vorteile ergeben sich vorrangig aus der Konstanz bzw. Reproduzierbarkeit der zur Ausbildung der Sensorstruktur führenden Verfahrensschritte.
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Gemäß typischer Ausführungsformen umfasst ein vorgeschlagener Fasersensor somit zwei optische Fasern, ein vollständig geschlossenes Gehäuse und eine in das Gehäuse integrierte Faserführung, wobei das Gehäuse eine gehäuseintegriert erzeugte optische Resonatorstruktur umschließt. Insbesondere weist die Resonatorstruktur zwei gehäuseintegriert erzeugbare Reflektorflächen und einen gehäuseintegriert erzeugbaren Resonatorhohlraum auf. Die Länge des Resonatorhohlraumes, bzw. der Abstand der beiden Reflektorflächen zueinander lassen sich durch die gewählten Herstellungsbedingungen (Material- und Prozessparameter) definiert einstellen. Vorteile bestehen in der Robustheit des Fasersensors, dem zuverlässigen Packaging der Reflektorstruktur und dem daraus erwachsenden verlässlichen Schutz des Sensors vor Umwelteinflüssen.
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Die beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Ein Fabry-Perot-Interferometer umfasst einen optischen Resonator, der durch zwei einander gegenüber liegende teildurchlässige Spiegel gebildet ist. Ein eintreffender Lichtstrahl wird nur dann transmittiert, wenn er der Resonanzbedingung des Resonators entspricht.
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Im Fall eines Fabry-Pérot-Fasersensors kann dieser Messaufbau durch eine Einmoden-Zuleitungsfaser (Singlemode-Faser) gebildet werden, deren glatt gebrochenes Faserende, typischerweise von einer Kapillare geführt, dem glatten Faserende einer Reflexionsfaser gegenübersteht. Die beiden Faserenden dienen als Reflektoren und bilden den eigentlichen Resonator. Bei einem flexiblen Fabry-Pérot-Fasersensor ist nur die Zuleitungsfaser mit der Kapillare verschweißt, während das gegenüberliegende Faserstück in der Kapillare beweglich angeordnet ist. Auf diese Art und Weise kann eine Dehnung der Faser erfasst werden. Bei einer anderen Bauart sind beide Faserenden fest mit der Kapillare verbunden, sodass eine unmittelbar auf die Kapillare wirkende Dehnung messbar ist. Bei geeigneter Befestigung des Sensors auf einer interessierenden Struktur oder seiner Einbettung darin können hochaufgelöst Verformungen plastischer Materialien erfasst werden. Anwendungen betreffen z.B. die Bauteil-Zustandsüberwachung, ebenso aber auch das bauteilintegrierte Monitoring. Typischerweise werden vorgefertigte Sensoren durch zusätzliche Maßnahmen vor Umwelteinflüssen geschützt.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren wird das Prinzip der additiven Fertigung mittels 3D-Druck für die standardisierte Herstellung funktionsbestimmender Komponenten der faseroptischen Wegmesstechnik angewendet. Insbesondere wird das additive Verfahren der Fused-Filament-Fabrication (FFF) bzw. Fused Deposition Modeling (FDM) zur kostengünstigen, zeitreduzierten und individualisierten Herstellung von Dehnungssensoren bzw. Wegaufnehmern genutzt.
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Das Prinzip der Fused Filament Fabrication besteht im kontinuierlichen Aufschmelzen eines in Strang- bzw. Fadenform vorliegenden Materials (z.B. eines thermoplastischen Elastomers) und dessen schichtweisem Abscheiden (durch Erstarren) auf einer zuvor abgeschiedenen Schicht. Insbesondere wird eine Heizdüse NC-gesteuert über das höhenverstellbar aufzubauende Werkstück gefahren. Durch schichtenweises Abscheiden von geschmolzenem Material und entsprechendes Absenken der Plattform wird das Bauteil aufgebaut. Ebenso kann die Düse frei im Raum geführt werden und das Bauteil abschnittsweise additiv aufgebaut werden. Typischerweise wird zur Steuerung der Düse ein im Computer animiertes und in virtuelle Schichten zerlegtes Bauteil Schicht für Schicht aus aufeinander folgenden Schmelzschichten aufgebaut.
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Der 3D-Druck bietet als serielles Fertigungsverfahrens den Vorteil, dass ein Erzeugnis dem anderen gleicht, solange die einmal spezifizierten Fertigungsparameter eingehalten werden. Vorteilhafterweise kann auf dem Weg einer einfachen Modifizierung der Steuerbefehle, also auf Softwareebene, eine sofortige und unmittelbar wirksame Anpassung an eventuell veränderte Einsatzbedingungen des Produktes (Fasersensor) vorgenommen werden. Additive Fertigungsverfahren nach Art der FFF sind auf Grund ihrer Flexibilität gerade für die Fertigung von Kleinserien attraktiv. Durch redundante Auslegung der FFF-Druckvorrichtung kann die Losgröße erforderlichenfalls weiter gesteigert werden.
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Grundlage für die Anwendung der Fused-Filament-Fabrication bildet eine Vereinfachung des Designs eines Fabry-Pérot-Fasersensors. Insbesondere wird ein FFF-Drucker dafür verwendet, das integrale Sensorgehäuse des Fabry-Pérot-Fasersensors durch sukzessives Urformen schichtweise aufzubauen.
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Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechend ähnliche Teile.
- 1 zeigt die untere Hälfte eines Sensorgehäuses gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 zeigt die untere Gehäusehälfte gemäß der ersten Ausführungsform mit eingelegter geritzter Singlemode-Faser;
- 3 zeigt das vollständige Gehäuse mit eingebetteter Faser. Nach dem Trennen der Faser stehen Zuleitungs- und Reflexionsfaser zur Verfügung;
- 4 zeigt ein zur Fertigung des Sensors angepasstes Druckbett einer FFF- Vorrichtung.
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Gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist das integrale Sensorgehäuse 10 durchgängig ein und dasselbe Material, d.h. ein und dasselbe Gehäusematerial auf.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Gehäuse 10 wird im Wesentlichen von zwei Teilen 11, 12 gebildet. In einem der beiden ist der Resonator ausgebildet. Hier stehen die zwei reflektierenden Faserenden einander planparallel gegenüber und bilden den Resonator aus. Der Resonator ist in Umfangsrichtung vollständig vom Material des betreffenden Gehäuseteiles umschlossen. Somit liegt der Resonator gekapselt im integrierten Gehäuse, bzw. in einem der beiden Gehäuseteile vor. Eine entsprechende Dimensionierung (Länge, Breite, Höhe) des betreffenden Gehäuseteils gewährleistet einen zuverlässigen Schutz des Resonators vor potentiell die Sensorfunktion gefährdenden Umwelteinflüssen.
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In 1 ist an einem Beispiel einer Ausführungsform gezeigt, dass die beiden Gehäuseteile 11, 12 - bezogen auf die Längsachse der Faser 4 - hintereinander und in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet sind. Sie sind durch ihre Form und Dimensionierung angepasst, die Faser jeweils, zumindest abschnittsweise, vollständig zu umschließen. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen weisen beide Gehäuseteile 11, 12 die gleiche Höhe auf. In einem zwischen den beiden benachbarten Gehäuseteilen ausgebildeten Spalt 2 liegt die Faser 4 frei. Außerhalb des Spaltes 2 sind die beiden Gehäuseteile 11, 12 durch zwei symmetrisch zueinander angeordnete und zumindest einen Bogen aufweisende Strukturen 13 miteinander verbrückt. Die verbrückenden Strukturen können beispielsweise als Spitzbögen, als Rundbögen, oder als U-, V-, W- oder Zick-Zack-Brücken ausgebildet sein. Nachfolgend werden diese Strukturen als Verbrückungselemente 13 bzw. Festkörpergelenke 13 bezeichnet. Ihnen kommt die Funktion einer Linearführung bzw. einer Axialführung der Faser zu. Sie stabilisieren die Position der beiden die Faser jeweils zumindest abschnittsweise umschließenden Gehäuseteile 11, 12. Die Dimensionierung und Form der Verbrückungselemente bzw. Festkörpergelenke 13 gewährleistet, dass die Faser 4 im Wesentlichen in Längsrichtung gedehnt bzw. gestaucht werden kann. Auf diese Art und Weise kann der im Inneren eines der beiden Gehäuseteile angeordnete Resonator eine auf die Faser einwirkende Druck- oder Zuglast optisch erfassbar machen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform werden die beiden Gehäuseteile und die sie verbindenden Festkörpergelenke gemeinsam schichtweise und bevorzugt unter Verwendung ein und desselben Filamentmaterials auf einer Arbeitsebene (Druckbett) additiv aufgebaut. Auf diese Art und Weise sind die beiden Gehäuseteile während ihres Aufbaus von Anfang an über eine Festkörpergelenk-Struktur miteinander verbunden.
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Dazu wird auf dem Druckbett bzw. einer Arbeitsplattform zunächst eine unterste Lage bzw. die erste Schicht des schichtweise additiv aufgebauten Gehäuses 10 erzeugt. Gemäß typischen Ausführungsformen werden die äußeren Konturen dieser ersten Schicht über die gesamte Höhe des Gehäuses beibehalten. Innere Konturen werden in Richtung der Oberflächennormalen des Druckbettes so gestaltet, dass mit Annäherung an eine mittlere Symmetrieebene des Gehäuses eine die Faser aufnehmende Nut 3 ausgebildet wird. Somit wird so zunächst eine untere Hälfte des Gehäuses, umfassend untere Hälften der beiden Gehäuseteile 11, 12 und der Festkörpergelenk-Struktur 13 auf dem Druckbett erzeugt. Die untere Hälfte weist in diesem Fertigungszustand eine längs verlaufende Nut 3 auf. Diese Nut erfüllt die Funktion einer Axialführung, in welcher die eingelegte Faser entlang ihrer Längsachse (axial), zumindest in einer Richtung im Inneren des Gehäuses beweglich ist.
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Gemäß anderen Ausführungsformen ist an Stelle des beschriebenen Aufbaus der unteren Hälfte des Gehäuses ebenso ein Aufbau gleicher Art, jedoch zunächst ohne Festkörpergelenk möglich. Demnach wird zunächst ein zweiteiliges Gehäuseunterteil ohne Festkörpergelenkverbindung gedruckt. Danach wird die mit einer Sollbruchstelle versehene Faser eingelegt und die Führung bzw. Klemmung der Faser vervollständigt, sodass die Faser zumindest im Bereich der Sollbruchstelle vom Gehäusematerial vollständig umschlossen ist. Danach werden die zwei Teile des zweiteiligen Druckbetts zueinander verschoben, sodass letztendlich die Faser unter Dehnung bricht, wobei sich zwei parallel zueinander orientierte Bruchflächen ausbilden. Der Abstand der beiden Bruchflächen zueinander ist im belastungsfreien Zustand des Gehäuses stabil. In einem abschließenden Schritt kann sodann ein oberer Teil des Gehäuses ausgebildet werden, wobei dieser obere Teil zumindest ein Festkörpergelenk umfasst, das die beiden unteren Abschnitte des Gehäuses miteinander verbindet, an denen die Faser in das Gehäuse eintritt bzw. an denen die Faser aus dem Gehäuse austritt.
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Im Gehäuse 10 können durchgehende Öffnungen 6, 7 oder an dessen Außenseiten Hinterschneidungen zur Befestigung des (zukünftigen) Sensorelements auf einem zu vermessenden Bauteil vorgesehen sein. Die durchgehenden Öffnungen 6, 7 erscheinen im fertiggestellten Gehäuse als Durchganglöcher 7, die vergleichbar zu Durchgangsbohrungen das Fixieren des Gehäuses, umfassend den ausgebildeten Resonator an der Messstelle gestatten.
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Hinterschneidungen können die Funktion von Mitnehmern erfüllen, wenn das fertiggestellte Sensorelement in eine Matrix, z.B. Beton, in eine Verguss-Masse oder in ein Polymer bzw. in eine Verbundstruktur eingebettet werden soll.
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Beim beschriebenen durchgängig additiven Aufbau wird also mit Erreichen einer durch die beabsichtigte Lage der Faser definierten Höhe des Gehäuses der additive Fertigungsprozess unterbrochen. Insbesondere wird der Fertigungsprozess vorteilhaft unterbrochen, wenn die zur Aufnahme der Faser dienende Nut ihre größte Höhe erreicht hat. Die maximale Höhe der Nut entspricht im Wesentlichen dem äußeren Durchmesser der optischen Faser, beispielsweise einer optischen Singlemode-Faser komplett, einschließlich Ummantelung. Dieser Fertigungszustand, noch ohne eingelegte Faser, ist in 1 gezeigt.
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Nachfolgend wird eine Faser, beispielsweise eine Singlemode-Faser in die Nut 3 des im Entstehen begriffenen Gehäuses 10 eingelegt. Ein zur Hälfte fertiggestelltes Gehäuse 10 mit eingelegter Faser 4 ist in 2 gezeigt. Die einzulegende Faser wird zuvor mit Hilfe eines Fasertrenngerätes bzw. Faserbrechgerätes (Standard-Cleaver) angeritzt und so mit einer Sollbruchstelle versehen. Beim Einlegen wird die Faser so positioniert, dass die Sollbruchstelle an einer vorbestimmten Position 5 in einem der beiden Gehäuseteile angeordnet ist.
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Mit der nun anschließenden Fortsetzung des additiven Fertigungsverfahrens (mittels FFF) wird die eingelegte Faser vom abgeschiedenen Material formschlüssig gefasst. Dabei dient die Faser selbst als Formkern. Der schichtweise Materialauftrag wird solange fortgesetzt, bis auch die obere Hälfte des Gehäuses aufgebaut ist.
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Gemäß vorteilhafter Ausführungsformen des additiven Verfahrens während des Aufbaus der zweiten (oberen) Hälfte des Gehäuses, kann die erste Schicht der zweiten Hälfte zunächst selektiv abschnittsweise entlang der optischen Faser aufgebaut werden. Das ermöglicht es, die exakte Position der Faser zunächst temporär zu fixieren. Sobald diese temporäre Fixierung erfolgt ist, werden verbleibende Areale der ersten Schicht der zweiten (oberen) Hälfte aufgebaut. Der Aufbau der nachfolgenden Schichten erfolgt sequentiell entsprechend der beim Herstellen der ersten (unteren) Hälfte ausgeführten Arbeitsschritte.
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Nach diesem Arbeitsgang liegt die Faser in einer präzisen Führung, ist mit dieser aber nicht verklebt. Das als Filament genutzte Material geht keine stoffschlüssige Verbindung mit dem Fasermantel ein. Deshalb ist die Faser axial, bzw. in Längsrichtung beweglich.
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Um die Bewegung des in Faser-Längsrichtung geteilt ausgeführten Gehäuses weiterzuleiten, können insbesondere die Maße der Nut 3 zur Aufnahme der Faser 4 abschnittsweise so eingestellt sein, dass die Faser im Gehäusematerial an bestimmten Stellen geklemmt wird und somit fixiert ist. Diese Fixierung sichert die Übertragung einer zu messenden Dehnung auf die Faser. Ein solches Klemmen kann beispielsweise durch den verfahrensbedingten Schrumpf des Filamentmaterials beim Erstarren bewirkt werden.
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Vorzugsweise ist eine Breite der Nut 3 im Bereich der Ritzung bzw. der künftigen Position des Resonators etwas größer als der äußere Durchmesser der eingelegten Faser. Dadurch wird verhindert, dass die Faser im Bereich des Resonators fixiert, der Sensor dadurch unbrauchbar wird. Ebenso wird dadurch verhindert, dass Gehäusematerial sich in den ausgebildeten Resonatorhohlraum vorwölben kann oder durch die Bruchflächen abgehobelt werden kann.
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Darüber hinaus kann aber auch ein adhäsives Verfahren mit beispielsweise UVreaktiven Klebstoffen verwendet werden: auch diese Methode ist automatisiert in einfacher Weise durchführbar. Beispielsweise kann die eingelegte Faser an eigens vorgesehenen Nuten 6 mittels eines UV-härtenden Klebers fixiert werden.
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Das vollständig fertiggestellte Gehäuse 10 mit den Faserenden 41 und 42 ist in 3 gezeigt. Nach Einbringen und vollständigem Umschließen der Faser mit Gehäusematerial wird die zuvor mit einer Sollbruchstelle versehene Faser an der Sollbruchstelle getrennt. Das kann beispielsweise durch Aufbringen einer Zugbeanspruchung in axialer Richtung erfolgen. An der Bruchstelle wird auf diese Art und Weise ein Resonatorhohlraum ausgebildet, der den interferometrischen Effekt begründet. Die Bruchstelle kann vorteilhaft nach der Fertigstellung des Gehäuses mit Hilfe eines geteilten Druckbetts kontrolliert erzeugt werden. Die FFF-Fertigungseinrichtung weist ein dafür angepasstes Druckbett auf.
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Ein solches Druckbett bzw. Arbeitsplattform, auf welcher das Gehäuse 10, 11, 12 mit den Festgelenken 13 additiv aufgebaut wird ist in 4 gezeigt. Vorteilhafterweise ist das Druckbett 20 geteilt und weist einen ersten Teil 8 auf, der fest steht und einen verschiebbaren zweiten Teil 9, der bezogen auf den feststehenden Teil in einer Ebene gezogen werden kann. Der Pfeil zeigt die Bewegungsrichtung des verschiebbaren Teils 9 an. Das geteilte Druckbett 20 ist eingerichtet zum Brechen der im Gehäuse 10 eingebetteten angeritzten Faser 4 in die beiden Faserenden 41 und 42. Typischerweise haftet die unterste Schicht der additiv erzeugten Struktur auf der Arbeitsplattform. So haftet auch das Gehäuse auf der Druckbettoberfläche durch Formschluss. Mit Hilfe der zweigeteilten Arbeitsoberfläche kann so die erforderliche Zugkraft auf die beiden Gehäusehälften 11, 12 ausgeübt werden. Der von den Festkörpergelenken überbrückte Spalt 2 wird dabei kurzzeitig geweitet.
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Bei Ausführung ohne verbindendes Gelenk wird dieses nach Brechen der Faser und Einstellen des Resonatorhohlraums zusammen mit der verbleibenden Gehäusestruktur aufgebaut.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden insbesondere bei Integration gummielastischer Gehäuseelemente beide Gehäusehälften 11, 12 vor dem Fixieren mindestens der zweiten Faserseite durch definiertes Verschieben des geteilten Druckbetts in Druckrichtung der Faser zusammengeschoben (längs der Faser komprimiert) und verbleiben in dieser Position bis zur Eingabe eines Adhäsivs in die Öffnungen 6. Nach dessen Aushärten wird das Gehäuse entlastet. Durch Entspannen und Rückkehr des Gehäuses in die Ausgangslage erfolgt eine entsprechende Dehnung des vom Gehäuse umschlossenen und zum Gehäuse fixierten Faserabschnitts, die das Trennen der Faser an der Sollbruchstelle und das Einstellen des Resonatorhohlraums bewirkt.
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Durch Auswahl oder Kombination geeigneter Gehäusematerialien bzw. Filamentwerkstoffe sind auch teilelastische und/oder abdichtende Elemente automatisch in das Gehäuse integrierbar. Abschließend kann der komplett aufgebaute und sofort funktionsfähige Sensor am Messobjekt befestigt werden. Durch die individuelle Formgebung können hier schon unterschiedlichste Befestigungsmethoden vorgesehen werden - vom Kleben bis zum Formschluss durch das Sensorgehäuse.
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Als Filamentmaterialien kommen die für das FFF geeigneten Materialien in Betracht, beispielsweise Polymilchsäure (PLA), Acrylonitril-Butadien-Styren Copolymer (ABS), Nylon oder andere thermoplastische Materialien, beispielsweise hochschlagfestes Polystyren (HIPS), Polyethylen, Polypropylen, Polyethylen mit ultra-hohem Molekulargewicht (ultra-high-molecular-weight polyethylene / UHMWPE bzw. high modulus polyethylene / HMPE). Letztere sind hinsichtlich ihrer vorteilhaften tribologischen Eigenschaften gut zur Ausbildung der Axialführung geeignet. Auch Acetal bzw. Polyoxymethylen ist zur Ausbildung von Gleit- und Führungselementen geeignet. Selbstredend können auch Mischungen und/oder Komposite umfassend zumindest eines der genannten Polymere als Gehäusematerial verwendet werden. Ebenso können einer Polymermatrix Füllstoffe, wie Fasern oder Nanopartikel zugesetzt sein.
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Die gezielte Auswahl des Gehäusematerials / Filamentmaterials hinsichtlich seines Elastizitätsmoduls erlaubt eine weiter vereinfachte Bauform des Gehäuses. So kann ein einstückiges Gehäuse ohne einen zwei Gehäuse-Teile trennenden Spalt und ohne jegliches Festkörpergelenk ausgeführt werden. Die gerichtete Streckung des fertiggestellten Gehäuses und/oder der Faser führt zum Bruch der Faser an vorbestimmter Position im Inneren des Gehäuses und der Ausbildung des Resonatorhohlraumes. Geeignete Gehäusematerialien kehren nach der gerichteten Streckung nicht in ihre Ausgangsform zurück, hinterlassen also durch das Zurückweichen der beiden Trennflächen an der Sollbruchstelle einen Resonatorraum. Das gerichtete Strecken des Gehäuses mit eingebetteter und zumindest einseitig zum Gehäuse fixierter Faser kann direkt, durch definierte Zugbeanspruchung des Gehäuses erfolgen. Die Zugbeanspruchung überträgt sich auf die Faser und führt im Bereich der Sollbruchstelle zur Ausbildung des Resonatorhohlraumes. Alternativ kann eine definierte Zugbeanspruchung der in das Gehäuse eingebetteten Faser bewirkt werden, indem das Gehäuse zuerst entlang der Faser gestaucht wird. Die Faser wird dann im gestauchten Zustand des Gehäuses - zumindest einseitig - zu jenem befestigt. Mit dem Entlasten des Gehäuses kehrt das Gehäuse in seine Ausgangsform zurück, dehnt dabei die Faser und bewirkt deren Bruch an der Sollbruchstelle und das selbsttätige Ausbilden des Resonatorhohlraumes
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Zusammenfassend wird also - unabhängig von der konkreten äußeren Gestalt des Sensorgehäuses - mittels additiver Strukturierung ein Sensorgehäuse hergestellt, von dem bzw. in dem eine eingelegte optische Faser geklemmt und axial geführt wird. Die beiden für ein Fabry-Perot-Interferometer erforderlichen Faserenden (bzw. die Zuleitungsfaser und die Reflexionsfaser) werden durch ortsdefiniertes Trennen einer in einem Gehäuse eingeschlossenen Singlemode-Faser erzeugt. Das Gehäuse kann zwei Teile umfassen, die miteinander über ein Festkörpergelenk verbunden sind. Die beiden Gehäuseteile einschließlich der sie verbindenden Festkörpergelenke werden synchron mittels additiver Fertigung aufgebaut. Der vom Festkörpergelenk überbrückte Abstand zwischen den zwei Gehäuseteilen wird zum gezielten Aufbringen der zum definierten Faserbruch führenden Zugbelastung genutzt. Nach dem Bruch verharren die beiden Faserbruchflächen in einem definierbaren Abstand zueinander und bilden somit den optischen Resonator aus. Damit wird die eigentliche Resonatorstruktur während des Trennens der Faser des zweiteilig aufgebauten Gehäuses erzeugt.
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Somit stellt das definierte Trennen einer in eine Polymer-Matrix definiert eingebetteten optischen Faser exakt an der Stelle einer zuvor in die Faser eingebrachten Sollbruchstelle unter Ausbildung von zwei zueinander beabstandeten Faserstirnflächen (Bruchflächen) den Kern das Fertigungsverfahren des vorgeschlagenen Fabry-Pérot-Fasersensors dar.
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Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
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Das zweiteilige Gehäuse wird einerseits zum Erzeugen der Bruchflächen genutzt. Andererseits dient es zum Schutz bzw. der Verkapselung der optisch wirksamen Zone gegen äußere Umwelteinflüsse. Das Erzeugen der Bruchflächen kann beispielsweise unter Verwendung eines angepasst zweiteiligen Druckbettes durchgeführt werden. Das fertiggestellte Gehäuse ist herstellungsbedingt zunächst ohnehin noch mit dem Druckbett verbunden. Entspricht die Lage der Lücke zwischen den zwei Gehäuseteilen einem Spalt zwischen einem ortsfesten und einem beweglichen Teil des Druckbettes, so kann durch dessen Verschiebung entlang einer Längsrichtung die, beispielsweise vom Gehäuse fixierte, Faser gebrochen werden.
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Durch seine äußere Gestalt und synchron zur Fertigung erzeugte Durchgangsöffnungen werden jeweils bevorzugte Möglichkeiten zur Anpassung des Sensors an die jeweilige Messsituation geschaffen. Somit dient es der Herstellung eines auf Dehnung und Weg sensitiven Sensorelements in individueller Formgestaltung für ganz verschiedene Anwendungsfälle. Beispielsweise kann ein Sensorelement unmittelbar vor Ort, unter Berücksichtigung von aktuellen Gegebenheiten, Maßen und der Gestalt der zu überwachenden Struktur angepasst hergestellt werden. Anwendungsszenarien betreffen beispielsweise das Anbringen eines angepassten Fabry-Pérot-Fasersensors an einem Riss eines Tragwerkes.
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Beispielsweise kann eine Oberfläche der zu vermessenden Struktur vor Ort optisch erfasst (z.B. gescannt), digitalisiert und in ein virtuelles 3D-Schicht-Modell der optimal angepassten Sensorstruktur umgesetzt werden. Ebenfalls vor Ort wird die extrahierte Information zur Steuerung des FFF-Druckers verwendet. Das Sensorgehäuse wird schichtweise bis auf die Ebene des Faserlagers (Axialführung) aufgebaut und mit einer angeritzten Faser ausgestattet. Dann wird das Sensorgehäuse fertiggestellt. Dabei kann ein Oberflächenprofil des Gehäuses vorteilhaft einem Oberflächenprofil der zu überwachenden Struktur entsprechen. Dadurch wird eine optimale Einkopplung der am Messort wirkenden Kräfte in den Fasersensor erzielt.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Vereinfachung des Sensordesigns in Verbindung mit dem Fertigungsverfahren des FFF die Automatisierung aller relevanten Arbeitsschritte erlaubt. Das ebnet den Weg in die Massenfertigung bei geringsten Fertigungs- und Materialkosten.
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Während bisherige Fabry-Pérot-Fasersensoren vorwiegend durch reine Handarbeit gefertigt werden, ermöglicht das vorgeschlagene additive Verfahren eine nahezu vollautomatische Fertigung. Beispielsweise erfolgt das Einlegen der vorgeritzten Faser noch manuell. Während aufgrund nachlassender Konzentrationsfähigkeit des Technikers konventionell gefertigte Sensoren immer Einzelstücke mit entsprechend ausgeprägter Streuung in den relevanten Parametern sind, weisen die wie vorgeschlagen additiv gefertigten Fasersensoren nur eine ausgesprochen enge Varianz auf. Ausschlaggebend hierfür ist auch die integriert herzustellende Montageschnittstelle zum Messobjekt, die eine reproduzierbare Ankupplungsituation erzeugt.
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Das Gehäusematerial, im Fall des 3D-Drucks mittels FFF-Technik das Filament-Material kann anwendungsspezifisch gezielt ausgewählt werden. Die Auswahl erfolgt insbesondere hinsichtlich der thermischen, plastischen und viskoelastischen Eigenschaften des Gehäusematerials. Ebenso kann eine Kombination von unterschiedlichen FilamentMaterialien oder Filament-Material mit Füllstoffen einerseits, und andererseits eine Geometrie des Festkörpergelenks, sowie die zum Faserbruch eingesetzte Zugkraft andererseits so ausgewählt werden, dass unterschiedliche Abstände zwischen den Faserenden im Gehäuse und somit unterschiedliche Resonanzfrequenzen der Resonatorstruktur einstellbar sind.
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Gerade durch die - im Rahmen der Möglichkeiten des Standarddesigns - individuelle Ausgestaltung der messtechnisch relevanten Parameter und deren Anpassung an die gestellte Messaufgabe basiert der Stand der Technik hauptsächlich auf Handarbeit.
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Gleiches gilt für die Standardmethoden zur Applikation des Sensors auf der Messobjektoberfläche. Bisher ist der Einsatz von Fabry-Pérot-Fasersensoren deshalb nur bei einzelnen Messaufgaben mit Beschränkung auf wenige Sensoren beschränkt. Eine Massenfertigung ist bisher nicht vorgesehen und bei der individuellen und manuellen Fertigung nicht abzusehen. Das bisherige Konzept hat die weite Verbreitung der schon lange bekannten und mit relativ einfachen Mitteln auszuwertenden Fabry-Pérot-Fasersensoren in der Vergangenheit erfolgreich verhindert.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren werden die vorstehend aufgeführten Nachteile der manuellen Fertigung von Fasersensoren minimiert bzw. vollständig überwunden. Gleichzeitig bleibt die Möglichkeit zur individualisierten Auslegung auf die jeweils spezifische Messaufgabe erhalten. Durch eine besondere und frei modifizierbare Formgebung wird eine erleichterte Anpassung des Fasersensors an das zu messende Objekt ermöglicht. Das vorgeschlagene Verfahren bietet die Möglichkeit, einander identische Fabry-Pérot-Fasersensoren in großer Stückzahl bereitzustellen. Die zu Grunde liegenden Designprinzipien und die additive Fertigung mittels FFF-Technik ermöglicht die Massenfertigung der Sensorelemente.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können bisherige Beschränkungen, die Aspekte des Designs und damit auch der Anwendung der Sensoren betreffen, überwunden werden.
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Die Vereinfachung des Sensordesigns in Verbindung mit dem Fertigungsverfahren des FFF erlaubt somit die Automatisierung aller relevanten Arbeitsschritte und ermöglicht die Massenfertigung bei geringsten Fertigungs- und Materialkosten. Für hochwertiges FFF-geeignetes Filament liegen die Kosten momentan bei 50 € pro kg, wobei die Sensorgehäuse typischerweise nur einige Gramm wiegen. Standard-Telekommunikations-Fasern kosten etwa 5 € pro m. Dies prädestiniert das Herstellungsverfahren für die Fertigung von Wegwerfsensoren. Solche Sensoren könnten zu hunderten, beispielsweise in geotechnische Strukturen, eingebracht und nur bei Bedarf mit einem Auswertegerät ausgelesen werden. Die durch das Fertigungsverfahren ermöglichte individuelle Formgebung des Sensors gestattet die Messung in unterschiedlichen Wirkrichtungen - auch multiaxial - und an unterschiedlich geformten Strukturen.
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Das FFF-Verfahren ist nur minimalen Beschränkungen hinsichtlich der geometrischen Ausgestaltung oder Komplexität unterworfen. Deshalb können auch komplett geschlossene Gehäuse mit integrierten funktional wirkenden Einzelstrukturen - wie den Festkörperführungen - hergestellt werden. Solch eine monolithische Bauweise stellt den idealen mechanischen und optischen Schutz der schmutzempfindlichen optischen Wirkflächen dar, ebenso nach Außen zum Schutz der Umgebung gegen austretende Laserstrahlung im Sensorbetrieb. Für die Fertigung bedeutet dies einen erheblich reduzierten Aufwand zur Reinigung der Einzelteile, da praktisch nur die in der Vorbereitung durch einen Standard-Cleaver angeritzte Glasfaser an der späteren Bruch- und evtl. Klebestelle entfettet werden muss, der weitere Fertigungsprozess aber keine zusätzlichen Maßnahmen erfordert.
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Durch die nahezu unbegrenzte Gestaltungsfreiheit des Fertigungsverfahrens kann das Sensorelement durch Variation der geometrischen Form an jede zu messende Struktur adaptiert werden. Das erweitert die traditionellen Applikationsmöglichkeiten herkömmlich gefertigter Sensoren erheblich, auch durch eine direkte automatisierte Fertigung von Teilen des Gehäuses an Hand von CAD-Daten. Hierbei werden die Vorteile des FFF-Verfahrens: Kostengleichheit zwischen Einzel- und Serienfertigung und Designkomplexität voll ausgeschöpft.
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Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
