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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils sowie ein Faserverbundbauteil mit wenigstens einem Sensor.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Sensoren an Bauteile anzubringen oder sogar in diese zu integrieren, um z. B. die Belastungen dieser Bauteile erfassen zu können. Dies trifft insbesondere auf Bauteile in der Automobilbranche zu. Typischerweise werden hierzu Sensoreinheiten verwendet, die ein Sensorkabel aufweisen, das die von der Sensoreinheit erfassten Daten an eine Steuereinheit übermittelt. Alternativ können auch bestimmte Sensorkabel verwendet werden, die selbst als Sensor dienen, beispielsweise optische Sensorkabel.
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Derartige Sensoren konnten jedoch bisher bei den in der Automobilbranche immer weiter verbreiteten Faserverbundbauteilen aufgrund des Herstellungsverfahrens der Faserverbundbauteile nur an deren Oberfläche verwendet werden. Bei der Integration eines solchen Sensors verläuft das Sensorkabel durch das Faserverbundbauteil. Damit das Sensorkabel nach der Herstellung des Faserverbundbauteils noch kontaktiert werden kann, muss es in der Trennebene der beiden Werkzeughälften aus dem Werkzeug herausgeführt werden, da es ansonsten undefiniert und auffindbar im Faserverbundbauteil liegen würde. Die Trennebene ist aber gerade der Bereich des Faserverbundbauteils, der abschließend beschnitten wird, da das Faserverbundbauteil dort typischerweise fertigungsbedingte Abweichungen von der gewünschten Form aufweist. Bei diesem abschließenden Beschneiden des Faserverbundbauteils würde das Sensorkabel jedoch durchtrennt werden, wodurch der Sensor nicht mehr kontaktierbar wäre.
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Daher werden im Stand der Technik andere Sensoren verwendet, um Informationen über das Innere des Faserverbundbauteils zu gewinnen, beispielsweise Sensoren, die die gewonnenen Daten kabellos an die Steuereinheit übertragen. Der Nachteil solcher Sensoren ist jedoch, dass sie erheblich teurer sind als die einfacheren Sensoren mit Sensorkabel oder die als Sensor dienenden Sensorkabel.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils zu schaffen, mit dem es möglich ist, ein Faserverbundbauteil mit integriertem Sensor kostengünstig herzustellen. Ferner soll ein entsprechendes Faserverbundbauteil geschaffen werden.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gelöst, mit den folgenden Schritten:
- a) Bereitstellen eines Werkzeugs zur Herstellung eines Faserverbundbauteils,
- b) Bereitstellen eines Faser-Halbzeugs,
- c) Einbringen zumindest eines Sensorkabels in das Faser-Halbzeug,
- d) Abschirmen zumindest eines Endes des zumindest einen Sensorkabels mittels eines auf das Ende aufgebrachten Abschirmteils
- e) Einlegen des Faser-Halbzeugs mit dem Sensorkabel und dem Abschirmteil in das Werkzeug, und
- f) Verpressen und Aushärten des Faser-Halbzeugs im Werkzeug.
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Der Grundgedanke der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Sensorkabel während der Herstellung des Faserverbundbauteils geschützt in der Werkzeug-Kavität belassen wird, in der das Faserverbundbauteil hergestellt wird. Das Abschirmteil sorgt dafür, dass das Sensorkabel nicht im Faserverbundbauteil eingebettet wird, sondern vom Werkzeug geschützt bzw. abgeschirmt ist. Dadurch ist es möglich, ein Faserverbundbauteil, das einen integrierten Sensor aufweist, in einem großserientauglichen Prozess herzustellen. Die Kosten des so hergestellten Faserverbundbauteils sind deutlich geringer, da z. B. kein teurer Sensor mit kabelloser Übertragung verwendet werden muss.
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Unter Faser-Halbzeug ist jegliche Form von Faser-Halbzeug zu verstehen, beispielsweise ein vorgetränktes Faser-Halbzeug (Pre-Preg) oder ein trockenes textiles Faser-Halbzeug. Ferner kann es sich um ein Monolith, also eine einzige Lage Textil, oder um ein Laminat handeln, dass aus mehreren Lagen von Textilen ausgebildet ist. Des Weiteren kann es sich um eine Sandwich-Struktur handeln, die einen Kern und beispielweise eine Oberlage und Unterlage aus einem Textil umfasst. Dieses Textil kann wiederum ein Monolith oder ein Laminat sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Abschirmteil auf die Oberfläche des Faser-Halbzeugs aufgesetzt oder in das Faser-Halbzeug eingebracht. Über die exakte Anordnung des Abschirmteils kann eingestellt werden, welche Länge des Sensorkabels abgeschirmt wird. Je mehr Sensorkabel abgeschirmt wird, desto flexibler und einfacher ist dessen spätere Kontaktierung. Ferner ist der Zugang zum Sensorkabel erleichtert, wenn das Abschirmteil leichter zugänglich ist.
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Insbesondere wird das Sensorkabel vor Schritt d) zur Oberfläche des Faser-Halbzeugs geführt. Das Sensorkabel kann so nah wie möglich an die Oberfläche geführt werden, wodurch die Kontaktierung einfacher ist. Ferner kann das Sensorkabel auch durch die Oberfläche des Faser-Halbzeugs gestochen werden und so aus dem Faser-Halbzeug geführt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Abschirmteil nach Schritt f) geöffnet wird, um Zugang zum Sensorkabel zu erhalten. Da das Abschirmteil an der Oberfläche angeordnet ist oder sich bis zur Oberfläche des Faser-Halbzeugs erstreckt, kann der Zugang zum Kabel in einfacher Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Abschirmteil um eine geschlossene Dose oder Buchse handeln, die nach der Herstellung des Faserverbundbauteils aufgebohrt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist an dem anderen Kabelende des Sensorkabels eine Sensoreinheit vorgesehen. Bei dieser Ausführung ist das Sensorkabel nicht selbst der Sensor, sondern dient lediglich der Übertragung der von der Sensoreinheit erfassten Daten.
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Insbesondere kann in Schritt d) vorgesehen sein, dass das Kabelende in das Abschirmteil geführt wird. Ferner kann das Abschirmteil eine Öffnung aufweisen, durch die das Kabelende in das Abschirmteil eingefädelt wird. Über die Öffnung und dessen Durchmesser kann sichergestellt werden, dass das Kabelende sicher innerhalb des Abschirmteils gehalten wird. Das Kabelende ist so vor einem Herausrutschen aus dem Abschirmteil bei der Handhabung des Sensorkabels und/oder des Faserverbundbauteils gesichert.
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Insbesondere wird das Abschirmteil mit dem darin aufgenommenen Kabelende zugeklebt, zum Beispiel durch Vergießen oder randseitiges Kleben. Hierdurch wird das Sensorkabel bzw. das Kabelende noch besser vor einem Herausrutschen aus dem Abschirmteil geschützt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Faser-Halbzeug samt Abschirmteil in das Werkzeug eingelegt, wobei das Werkzeug eine zusätzliche Kavität für das Abschirmteil aufweist. Ein derartiges Werkzeug wird benötigt, wenn sich das Abschirmteil nicht nur bis zur Oberfläche des Faser-Halbzeugs erstreckt, sondern über diese hinausgeht, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn das Abschirmteil auf die Oberfläche des Faser-Halbzeugs aufgesetzt wird. Über die zusätzliche Kavität wird erreicht, dass das Faserverbundbauteil in gewohnter Weise hergestellt werden kann und dass das Abschirmteil Platz innerhalb der Kavität hat.
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Insbesondere wird als Sensorkabel ein Glasfaserkabel verwendet. Ein als Glasfaserkabel ausgebildetes Sensorkabel kann als Sensor verwendet werden. Bei der Verwendung des Sensorkabels als Leitung einer Sensoreinheit können durch die Ausbildung als Glasfaserkabel große Datenmengen in kurzer Zeit übertragen werden. Die Bandbreite ist demnach verbessert. Des Weiteren ist ein Glasfaserkabel allgemein unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern.
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Ein weiter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Sensorkabel vor Schritt c) auf einem Trägersubstrat als Teil des Halbzeugs befestigt wird. Hierdurch kann die Lage des Sensorkabels definiert und die Handhabung verbessert werden. Das Sensorkabel kann insbesondere mit dem Trägersubstrat vernäht werden.
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Gegebenenfalls können auch weitere Textillagen auf das ein oder beidseitig Trägersubstrat aufgebracht werden.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Faserverbundbauteil mit wenigstens einem Sensorkabel, insbesondere einer optischen Sensorfaser, das innerhalb des Faserverbundbauteils angeordnet ist, und einem Abschirmteil an oder in dem Faserverbundbauteil, in das ein Ende eines Sensorkabels eingebettet ist. Über das Abschirmteil ist sichergestellt, dass das Sensorkabel bei der Herstellung nicht in das Faserverbundbauteil eingebettet wird, wodurch es nach der Herstellung des Faserverbundbauteils zugänglich und kontaktierbar ist. Zudem ist über das Abschirmteil sichergestellt, dass das Sensorkabel bei der Herstellung nicht durch das heiße Werkzeug beschädigt wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Faserverbundbauteil gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren der zuvor beschriebenen Art hergestellt worden. Somit ist es möglich, das Faserverbundbauteil mit wenigstens einem eingebetteten Sensorkabel, in einem großserientauglichen Prozess herzustellen.
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Die strukturellen, im Zusammenhang mit dem vorgenannten Verfahren vorhandenen oder erhältlichen Merkmale sind auch Merkmale des erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Werkzeugs zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils,
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils in vier Varianten gemäß einer ersten Ausführungsform,
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
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4 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils gemäß einer dritten Ausführungsform.
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In 1 ist ein Werkzeug 10 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils schematisch dargestellt, welches zwei Werkzeughälften 12, 14 aufweist.
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Die beiden Werkzeughälften 12, 14 sind zueinander verfahrbar, sodass sie in der in 1 gezeigten Betriebsstellung eine Kavität 16 ausbilden, wobei jede Werkzeughälfte 12, 14 eine entsprechende Teilkavität 16a, 16b aufweist. Die Ebene, in der sich die beiden Werkzeughälften 12, 14 in der Betriebsstellung kontaktieren, wird Trennebene T genannt.
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Das Werkzeug 10 weist ferner neben der Kavität 16 eine zusätzliche Kavität 18 auf, deren Funktion nachfolgend erläutert wird.
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In 2 ist ein im Werkzeug 10 hergestelltes Faserverbundbauteil 20 schematisch dargestellt, welches ein Faser-Halbzeug 22 aufweist, beispielsweise ein Pre-Preg-Faser-Halbzeug oder ein trockenes textiles Faser-Halbzeug, das mit einem Harz in einem Nasspressprozess zum Faserverbundbauteil 20 gepresst worden ist.
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Das Faserverbundbauteil 20 weist ferner einen Sensor 24 auf, der innerhalb des Faser-Halbzeugs 22 angeordnet ist und gemäß einer ersten Ausführungsart nur aus einem Sensorkabel 26 mit Kabelende 28 besteht.
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Das Faserverbundbauteil 20 umfasst zudem ein Abschirmteil 30, welches in der gezeigten Ausführungsform als Dose ausgebildet ist und einen Teil des Sensorkabels 26 schützend umgibt, nämlich das Kabelende 28. Das Abschirmteil 30 weist eine Öffnung 32 auf, durch die das Kabelende 28 in das Abschirmteil 30 eingeführt worden ist.
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Je nach Größe der Öffnung 32 kann das Kabelende 28 auch in das Abschirmteil 30 eingefädelt werden, wobei zwischen dem Rand der Öffnung 32 und dem Sensorkabel 26 eine Klemmwirkung auftritt. Dadurch ist das Sensorkabel 26 sicher im Abschirmteil 30 aufgenommen. Insbesondere kann das Abschirmteil 30 im Bereich der Öffnung 32 aus einem elastischen Material ausgebildet sein, sodass das Einfädeln des Sensorkabels 26 leichter fällt.
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In 2 sind insgesamt vier Varianten dargestellt, die im Uhrzeigersinn nacheinander beschrieben werden.
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Aus 2 oben ist erkennbar, dass sich das Abschirmteil 30 nicht nur bis an die Oberfläche, sondern sogar über die Oberfläche des Faser-Halbzeugs 22 oder des Faserverbundbauteils 20 erstreckt.
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Alternativ (siehe 2 unten rechts) kann das Abschirmteil 30 auf die Oberfläche des Faser-Halbzeugs 22 aufgesetzt sein.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das Kabelende 28 mit einem Stecker 34 im Abschirmteil 30 aufgenommen ist, der aus dem Abschirmteil 30 entnommen werden kann, um das Sensorkabel 26 an eine hier nicht dargestellte Verarbeitungseinheit anzuschließen. Diese Steckerlösung ist für alle Varianten denkbar.
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Gemäß einer dritten Variante kann das Abschirmteil 30 sich auch nur bis zur Oberfläche des Faser-Halbzeugs 22 oder des Faserverbundbauteils 20 erstrecken.
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Weiter im Uhrzeigersinn ist eine vierte Variante gezeigt, bei der das Abschirmteil 30 vollständig im Faser-Halbzeug 22 oder im Faserverbundbauteil 20 eingebettet ist. Zur Kontaktierung des Sensorkabels 26 muss eine Oberschicht des Faserverbundbauteils 20 nach seiner Herstellung angebohrt werden, um zum Abschirmteil 30 zu gelangen. Diese Ausführungsvariante eignet sich insbesondere für Faser-Halbzeuge 22, die als Laminat ausgebildet sind, sodass das Abschirmteil 30 einfach innerhalb des Faser-Halbzeugs 22 zwischen deren Lagen angeordnet werden kann.
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Ferner ist in 2 eine weitere alternative Ausführungsart gezeigt, bei der eine Sensoreinheit 36 (gestrichelt dargestellt) vorgesehen ist, die als Sensor 24 dient. Die Sensoreinheit 36 ist mit dem Sensorkabel 26 verbunden, das die von der Sensoreinheit 36 erfassten Daten lediglich übermittelt.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform des Faserverbundbauteils 20 gezeigt, bei dem das Faser-Halbzeug 22 ein mehrlagiges Laminat ist. Ferner ist das Sensorkabel 26 vorab mit einem Trägersubstrat 38 (gestrichelt dargestellt) befestigt worden, insbesondere vernäht. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Sensorkabel 26 eine vordefinierte Lage im Faser-Halbzeug 22 aufweist, insbesondere zwischen zwei Lagen des Laminats.
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Das freie Kabelende 28 ist nicht am Trägersubstrat 38 befestigt und wird durch das Faser-Halbzeug 22, insbesondere eine obere Lage des Laminats, durchgestochen und zur Oberfläche des Faser-Halbzeugs 22 geführt. Dort ist das Kabelende 28 in das Abschirmteil 30 eingeführt worden, sodass es bei der Herstellung im Werkzeug 10 geschützt ist.
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In 4 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt, bei der das Faser-Halbzeug 22 als eine Sandwichstruktur ausgebildet ist, die einen Kern 40, eine Oberlage 42 und eine Unterlage 44 umfasst. Der Kern 40 kann beispielsweise ein schaumartiges Material sein, wohingegen die Ober- und Unterlage 42, 44 ein Monolith oder Laminat sind.
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Das Sensorkabel 26 ist innerhalb des Kerns 40 angeordnet, wobei das Kabelende 28 vom Kern 40 in das Abschirmteil 30 geführt ist, welches in der gezeigten Ausführungsform zwischen dem Kern 40 und der Oberlage 42 vorgesehen ist.
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Im Folgenden wird erläutert, wie das in den 2 bis 4 dargestellte Faserverbundbauteil 20 in dem in 1 gezeigten Werkzeug 10 hergestellt worden ist.
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Zunächst wird das Sensorkabel 26 in das Faser-Halbzeug 22 eingebracht, das die verschiedenen Ausführungen aufweisen kann. Das Sensorkabel 26 kann dabei mit einer Lage des Faser-Halbzeugs 22 z. B. vernäht werden, sodass es fixiert ist.
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Alternativ kann das Sensorkabel 26, wie in 3 gezeigt, vorab am Trägersubstrat 38 befestigt worden sein, das dann in das Faser-Halbzeug 22 integriert wird.
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Anschließend wird das Sensorkabel 26 bzw. das Kabelende 28 zur Oberfläche des Faser-Halbzeugs 22 geführt oder sogar durch die Oberfläche des Faser-Halbzeugs 22 durchgestochen.
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Danach wird das Sensorkabel 26 mithilfe des Abschirmteils 30 zumindest teilweise abgeschirmt. Hierzu kann das Kabelende 28 des Sensorkabels 26 beispielsweise in das Abschirmteil 30 eingeführt oder in die Öffnung 32 des Abschirmteils 30 eingefädelt werden.
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Das Innere des Abschirmteils 30 ist und bleibt vorzugsweise hohl.
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Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme kann das Abschirmteil 30 nach der Aufnahme des Kabelendes 28 am Öffnungsrand zugeklebt werden, sodass das Kabelende 28 bei der Handhabung nicht aus dem Abschirmteil 30 herausrutschen kann.
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Das so vorbereitete Faser-Halbzeug 22 samt Sensorkabel 26 und Abschirmteil 30 wird nun in das Werkzeug 10 eingelegt, indem das vorbereite Faser-Halbzeug 22 in die Teilkavität 16a der Werkzeughälfte 12 eingelegt wird, die die zusätzliche Kavität 18 aufweist, wenn das Abschirmteil 30 über die Oberfläche des restlichen Faser-Halbzeugs 22 vorstehen sollte, wie dies für die ersten zwei beschriebenen Ausführungsvarianten in 2 der Fall ist.
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Dabei wird das vorbereitete Faser-Halbzeug 22 so in die Werkzeughälfte 12 eingelegt, dass der möglicherweise über die Oberfläche des Faser-Halbzeugs 22 überstehende Abschnitt des Abschirmteils 30 in der zusätzlichen Kavität 18 aufgenommen wird.
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Anschließend wird das Werkzeug 10 geschlossen, indem die beiden Werkzeughälften 12, 14 zueinander verfahren werden, bis sie in der Trennebene T aneinanderstoßen. Die beiden Teilkavitäten 16a, 16b bilden dann die Kavität 16 aus. Das eingelegte vorbereitete Faser-Halbzeug 22 wird nun verpresst und anschließend ausgehärtet.
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Nach dem Aushärten ist dann das in den 2 bis 4 gezeigte Faserverbundbauteil 20 gebildet, wobei das Kabelende 28 von außen noch nicht zugänglich ist, da es zumindest vom Abschirmteil 30 umgeben ist. Um Zugang zum Kabelende 28 zu erhalten, muss das Abschirmteil 30 geöffnet werden. Dies kann beispielsweise durch Anbohren des Abschirmteils 30 geschehen. Wenn das Abschirmteil 30 innerhalb des Faserverbundbauteils 20 angeordnet ist, muss zudem eine Oberschicht des Faserverbundbauteils 20 durchbohrt werden.
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Alternativ hierzu kann, wenn das Abschirmteil 30 aus dem Faserverbundbauteil herausragt, vom Kabelende 28 abgezogen werden, wenn z. B. die Durchführungsöffnung mit einer Dichtung versehen ist, die ein Gleiten auf der Kabeloberfläche erlaubt.
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Der Teil des Sensorkabels 26, der innerhalb des Abschirmteils 30 vor dem Werkzeug 10 und der Wärme geschützt worden ist, liegt innerhalb des Abschirmteils 30 frei und ist flexibel geblieben, sodass es nach dem Öffnen des Abschirmteils 30 leicht kontaktiert werden kann.
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Das Sensorkabel 26 kann insbesondere als ein Glasfaserkabel ausgebildet sein, da ein solches Kabel selbst als Sensor 24 fungieren kann. Alternativ hierzu wäre auch ein elektrisches Sensorkabel denkbar.
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Sollte eine Sensoreinheit 36 vorgesehen sein, so können mit dem als Glasfaserkabel ausgebildete Sensorkabel 26 hohe Datenmengen in kurzer Zeit übertragen werden.
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Ferner können auch mehrere Sensoren 24 im Faser-Halbzeug 22 integriert werden, die als Sensorkabel 26 und/oder als Sensoreinheiten 36 mit Sensorkabel 26 ausgebildet sind. Die verschiedenen Sensorkabel 26 können in ein gemeinsames Abschirmteil 30 geführt werden.
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Somit ist es möglich, ein Faserverbundbauteil 20 in einem großserientauglichen Prozess herzustellen, das wenigstens einen integrierten Sensor aufweist, der als Sensorkabel ausgebildet sein kann. Dank des integrierten Sensors können Informationen über das Innere des Faserverbundbauteils, wie die Belastung im Inneren des Faserverbundbauteils, erfasst werden und nicht nur Informationen an dessen Oberfläche.
