-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff, bei denen Funktionselemente in den Faserverbundwerkstoff integriert und elektrisch kontaktiert sind. Dabei können die unterschiedlichsten üblicherweise eingesetzten Faserarten und Harze eingesetzt werden.
-
Zum technischen Anwendungsgebiet gehört die Funktionalisierung von mittels Pultrusion hergestellten profilierten Bauteilen, was z.B. mittels Leuchtmitteln oder elektronischen Bauteilen zur Detektion /als Aktorik → Temperaturmessung, Feuchtigkeitsmessung, Neigungssensoren, Lautsprecher, Batterien, Displays u.a.m. möglich ist. Dabei ergeben sich zusätzlich eine Vielzahl an weiteren möglichen Anwendungen.
-
Eine konkrete Anwendung können Stringer von Flugzeugen sein, bei denen eine strukturelle Überwachung auch während des Einsatzes erforderlich ist.
-
Die Funktionalisierung von faserverstärkten Bauteilen wird immer häufiger gefordert. So gibt es auch verschiedene Ansätze bei Pultrusionsprofilen. Vor allem im Sinne der Integration von Aktorik/Sensorik oder anderen elektronischen Bauteilen, z.B. Schaltern, Leuchtmitteln etc. ist Pultrusion ein geeigneter kontinuierlicher Herstellungsprozess für Profile, die gerade oder mit einem bestimmten Krümmungsradius hergestellt werden.
-
Dabei werden üblicherweise trockene Fasern durch ein Harzbad gezogen und anschließend in einem beheizten Pultrusionswerkzeug ausgehärtet. Eine weitere Variante ist es, dass die Fasern vor dem Pultrusionswerkzeug in einer Injektionsbox mit einem polymeren Harz getränkt und direkt anschließend im beheizten Werkzeug ausgehärtet werden.
-
Eine Herausforderung dabei ergibt sich neben der Veränderung des Faservolumengehaltes durch das Einbringen der zusätzlichen Elemente und bei der elektrischen Kontaktierung dieser Funktionselemente. Eine elektrische Kontaktierung ist jedoch in fast allen Fällen nötig, um die Bauteile mit elektrischem Strom zu versorgen bzw. Signale weiterzuleiten, was z.B. zu einer Auswerteeinheit oder für die Ansteuerung von Funktionselementen erforderlich ist.
-
Bei der Verwendung der meisten üblicherweise eingesetzten Fasern ist keine zusätzliche elektrische Isolierung notwendig. Bei Carbonfasern muss eine elektrische Isolierung der Bauteile aber auch der elektrisch leitenden Verbindungen und elektrischen Kontaktstellen und zum Teil auch gegenüber den Carbonfasern sichergestellt werden, Dies ist z.B. mit elektrisch isolierenden Schichten oder mit nichtleitenden Faserschichten aus Glasfasern möglich.
-
Umgesetzt werden kann die Hilfsgeometrie zur Kontaktierung kontinuierlich oder diskontinuierlich im Pultrusionsprofil. Bei der kontinuierlichen Variante liegt der Vorteil in dem gleichmäßigen Vorhandensein des elektrischen Leiters (Drahtes / Litze / Gitter / Folie). Jedoch liegt dabei eine durchgehende Störstelle im Faserverbund vor. Bei der diskontinuierlichen Umsetzung sind geringere Mengen des Zusatzmateriales notwendig. Anwendungsspezifisch wird davon nur so viel, wie tatsächlich erforderlich, benötigt wird. Der Vorbereitungsaufwand ist größer. Dafür ist eine Anpassung auf die jeweilige spezifische Anwendungsform (z.B. in Abhängigkeit der elektrischen Stromstärke oder der Anzahl der Anschlussdrähte) einfacher erreichbar.
-
Eine bekannte technische Lösung besteht darin elektrische Kontaktstellen vorzufertigen oder Drähte etc. zu nutzen und diese nachträglich aus dem Faserverbundwerkstoff freizulegen, so dass ein Zugang von außen an bestimmten Positionen möglich ist. Dies kann über spanende Bearbeitung erreicht werden, was jedoch zusätzliche Schwachstellen im Profil zur Folge hat. Diese Schwachstellen stellen durch das Durchtrennen der Fasern eine Vorschädigung dar, die besonders bei Faserverbundprofilen sehr ungünstig ist und die Festigkeit und das Biegeverhalten stark nachteilig beeinflusst.
-
Je nach Matrixmaterial und Ausführung der elektrischen Kontaktierung ist ihre Freilegung dadurch erschwert, dass nicht ganz klar ist, wo sich die jeweilige Position tatsächlich befindet, so dass es zur Entfernung unnötig großer Werkstoffanteile und zur Schädigung einer größeren Anzahl von Fasern kommen kann, als eigentlich nötig. Besonders bei der Serienfertigung ist der Aufwand pro Bauteil (in Abhängigkeit der Form und des Querschnittes des Pultrusionsprofils) sehr hoch.
-
Eine zweite bekannte Möglichkeit ist es, die elektrischen Anschlussdrähte durch das komplette Profil zu verlegen und dann am Profilende elektrisch zu kontaktieren. Dies ist aber nicht für alle Anwendungen möglich. So gibt es z.B. Bauteile, bei denen die Drahtlänge möglichst kurz sein sollte, um z.B. die Signalübertragung nicht zu stören (z.B. Dehnungsmessstreifen). Anderseits können die Profile - je nach Anwendung - sehr lang sein, wodurch auch die jeweilige elektrisch leitende Verbindung (z.B. ein Draht) entsprechend lang und demzufolge der elektrische Leitungswiderstand hoch ist. Weiterhin stellt ein Draht über die gesamte Profillänge ebenfalls eine Störstelle dar, die die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusst.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen Bauteile aus Faserverbundwerkstoff mit integrierten Funktionselementen hergestellt werden, bei denen eine elektrische Kontaktierung herstellbar ist, die mit geringem zusätzlichen Aufwand verbunden ist, und bei der insbesondere keine oder eine stark reduzierte negative Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften zu verzeichnen ist, da insbesondere auf einen größeren Materialabtrag und ein Zertrennen unnötig vieler Fasern verzichtet werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüche bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Fasern mit vorgegebener Ausrichtung in Bezug zu anderen Fasern von einer Abwickeleinrichtung durch eine Einrichtung mit der die Fasern mit einem polymeren Harz getränkt werden, transportiert werden. Eine Einrichtung kann ein Bad, eine Injektionsbox oder eine ähnliche Einrichtung sein, die geeignet ist die Fasern ausreichend mit dem polymeren Harz zu tränken.
-
In Bewegungsrichtung der getränkten Fasern wird zwischen der Einrichtung, mit der die Fasern mit dem Harz getränkt werden, und einem Pultrusionswerkzeug ein Trägermaterial an dem in vorgegebenen Positionen elektrische Kontaktelemente, die mit einem verformbaren elektrisch leitenden Material gebildet und mit mindestens einem elektrisch leitenden Verbindungselement elektrisch leitend verbunden sind, befestigt sind, zwischen getränkten Fasern durch das Pultrusionswerkzeug gezogen.
-
Dabei werden die elektrischen Kontaktelemente so verformt oder ausgerichtet, dass zumindest ein Oberflächenbereich der jeweiligen elektrischen Kontaktelemente in einem oberflächennahen Bereich oder direkt an einer nach außen weisenden Oberfläche angeordnet wird.
-
Mit dem Pultrusionswerkzeug wird eine Aushärtung des Harzes durchgeführt und bei Anordnung eines Oberflächenbereichs eines elektrischen Kontaktelements in einem oberflächennahen Bereich wird ein Freilegen des Oberflächenbereichs durch einen Werkstoffabtrag durchgeführt, wenn dies erforderlich ist und noch kein ausreichend großer Oberflächenbereich des jeweiligen elektrischen Kontaktelements von außen frei zugänglich ist.
-
Dabei sollten getränkte Fasern ausgehend von zwei unterschiedlichen Seiten in Richtung Pultrusionswerkzeug bewegt werden und das Trägermaterial mit mindestens einem elektrischen Kontaktelement und elektrischem Verbindungselement zwischen den aus zwei Richtungen zugeführten Fasern bewegt werden, so dass sich eine Grund- und eine Decklage, die mit Fasern gebildet sind für zu fertigende Bauteile ergibt und Trägermaterial mit elektrischen Kontaktelementen und mindestens einem elektrisch leitenden Verbindungselement allseitig von Fasern und Harzmatrix umschlossen sind. Dabei sollten elektrische Kontaktelemente aber entweder vor dem Eintritt in das Pultrusionswerkzeug oder vor mit dem Pultrusionswerkzeug so geformt oder ausgerichtet werden, dass zumindest ein Oberflächenbereich eines elektrischen Kontaktelementes zumindest im oberflächennahen Bereich oder unmittelbar an der Oberfläche eines fertigen Bauteils angeordnet wird, so dass entweder kein oder nur ein geringer Materialabtrag zum vollständigen Freilegen dieses Oberflächenbereiches von elektrischen Kontaktelementen erforderlich wird, um einen elektrischen Anschluss von außen zu ermöglichen.
-
Ein elektrisches Kontaktelement sollte vorteilhaft aber teilweise in der Faserharzmatrix eingebettet sein und lediglich ein Oberflächenbereich freiliegend oder sehr oberflächennah angeordnet werden. Dadurch erreicht man eine ausreichend große Stabilität, die auch die Verbindungssicherheit der elektrischen Verbindung von und zu einem Funktionselement dauerhaft gewährleisten kann.
-
Zur entsprechenden Verformung von elektrischen Kontaktelementen kann vor dem Eintritt in das Pultrusionswerkzeug ein formgebendes Element, an dem oder durch das zumindest ein Teilbereich eines elektrischen Kontaktelementes bewegt werden kann, angeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, am Pultrusionswerkzeug entsprechend mindestens ein solches formgebendes Element vorzusehen. Dies sollte bevorzugt bereits am Eintritt in das Pultrusionswerkzeug wirksam sein.
-
Das mindestens eine elektrisch leitende Verbindungselement kann zusätzlich mit mindestens einem Funktionselement in einem Abstand zu einem elektrischen Kontaktelement elektrisch leitend verbunden sein. Dabei kann das Funktionselement gemeinsam mit dem jeweiligen elektrisch leitenden Verbindungselement, mindestens einem elektrischen Kontaktelement und den getränkten Fasern durch das Pultrusionswerkzeug gezogen und entsprechend zueinander ausgerichtet werden, so dass auch das mindestens eine Funktionselement in der mit den Fasern und dem Harz gebildeten Matrix an einer vorgebbaren Position angeordnet wird.
-
Als Funktionselement können Sensoren, Aktoren und/oder Beleuchtungselemente und/oder als elektrisch leitende Verbindungselemente kann ein Draht oder eine Litze eingesetzt werden.
-
Funktionselemente, elektrische Kontaktelemente und ein elektrisch leitendes Verbindungselement sollten bevorzugt stoffschlüssig miteinander verbunden werden, was beispielsweise mit einem Löt- oder Schweißverfahren erreicht werden kann.
-
Ein flexibel verformbares Trägermaterial kann mit dem mindestens einem elektrischen Kontaktelement formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden worden sein, bevor diese gemeinsam durch das Pultrusionswerkzeug gezogen werden.
-
Das mindestens eine elektrisch leitende Verbindungselement kann vorteilhaft so ausgerichtet werden, dass es in der neutralen Faser oder der neutralen Ebene eines Bauteils angeordnet ist. Dadurch werden insbesondere die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils, wenn überhaupt nur geringfügig nachteilig beeinflusst. in Fällen in denen Funktionselemente funktionsbedingt außerhalb der neutralen Faser oder Ebene angeordnet werden müssen, wie es beispielsweise zur Bestimmung von Biegungen (Biegungssensor) oder der Auslösung von Biegebewegungen mit einem entsprechend ausgebildeten Aktor der Fall ist, kann man ein elektrisch leitendes Verbindungselement ganz oder teilweise außerhalb der neutralen Faser oder Ebene eines entsprechenden Bauteils anordnen.
-
Vorteilhaft sollte man das mindestens ein Funktionselement und/oder das mindestens eine elektrische Kontaktelement an dem Trägermaterial an einer vorgegebenen Position fixieren, bevor die getränkten Fasern mit dem Trägermaterial durch das Pultrusionswerkzeug gezogen werden. Dies kann beispielsweise durch Nähen oder Sticken erreicht werden.
-
Als Trägermaterial kann ein Vlies, Gewebe, Netz, Gelege, Band, eine Folie oder Matte eingesetzt werden.
-
Vorteilhaft sollten sowohl die Fasern mit denen der Faserverbundwerkstoff hergestellt wird, wie auch das Trägermaterial mit daran an vorgegebenen Positionen befestigten elektrischen Kontaktelementen, kontinuierlich durch das Pultrusionswerkzeug gezogen und einzelne Bauteile nach der Aushärtung durch Trennen von einem Endlosstrang erhalten werden.
-
Es können elektrisch leitende Folien oder textile Gebilde aus elektrisch leitenden Fasern oder Drähten als elektrische Kontaktelemente eingesetzt werden.
-
Elektrische Kontaktelemente können vor dem Eintreten in das Pultrusionswerkzeug so innerhalb der getränkten Fasern positioniert und verformt werden, dass zumindest eine Kontaktfläche des Sensors sich in einem oberflächennahen Bereich oder an der Oberfläche des Bauteils befindet.
-
Auch die zu integrierenden Funktionselemente können vorzugsweise mittig im Pultrusionsprofil (möglichst in der neutralen Faser) angeordnet werden, um den Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, insbesondere bei Biegelast möglichst gering zu halten. Ausnahmen stellen hier insbesondere Sensoren oder Aktoren dar, die eine Durchbiegung detektieren oder initiieren sollen, diese sollten bevorzugt außerhalb der neutralen Faser angeordnet werden. Auch Beleuchtungselemente sollten oberflächennah eingebracht werden.
-
Mithilfe eines elektrischen Kontaktelementes kann eine elektrisch leitfähige Kontaktstelle an der Oberfläche des Profils ausgebildet werden, über die die jeweiligen Funktionselemente vergleichsweise einfach elektrisch kontaktiert werden können.
-
Ein elektrisches Kontaktelement kann man als eine „Kontaktfahne“ auffassen.
-
Ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil kann mit den nötigen elektrisch leitenden Verbindungselementen, z.B. Drähten versehen und an den Enden dieser elektrisch leitenden Verbindungselemente beispielsweise leitfähige Kupferfolien / Kupfergitter / Kupferlitze als elektrische Kontaktelemente senkrecht dazu mit den elektrisch leitenden Verbindungselementen elektrisch leitend, bevorzugt stoffschlüssig, z.B. mittels Lötverbindung miteinander verbunden sein. Ein elektrisch leitendes Verbindungselement sollte in unterschiedlichen Höhen oder in Abständen nebeneinander innerhalb des jeweiligen Bauteils angeordnet werden können, so dass kein elektrischer Kurzschluss zwischen den unterschiedlich leitenden Verbindungselementen (elektrischen Leitern) auftreten kann. Ziel ist es, die elektrischen Kontaktelemente, insbesondere elektrisch leitfähige Folien, so im Pultrusionsprofil zu verlegen, dass sie an der Oberfläche des Profils eine elektrisch leitfähige, kontaktierbare Fläche bilden können, die von außen ohne weiteres zugänglich ist.
-
So können elektrisch leitende Verbindungselemente, insbesondere Drähte in Pultrusionsrichtung (X-Richtung) mitgezogen und ein elektrisch leitendes Kontaktelement so positioniert werden, dass das jeweilige elektrische Kontaktelement teilweise bis an die Oberfläche des Profils geführt ist und der bevorzugt vollständig frei liegende oder einfach freilegbare Oberflächenbereich von außen elektrisch kontaktiert werden kann.
-
Das so erhaltene Pultrusionsprofil ist dadurch ggf. nur minimal nachzubearbeiten, um die elektrisch leitfähige Oberfläche eines elektrischen Kontaktelements von Matrixmaterial und einzelnen Fasern freizulegen und somit eine Schädigung des Bauteils zumindest weitestgehend zu vermeiden. Die nach der Pultrusion vorliegenden Faserverläufe innerhalb des Pultrusionsprofils bleiben unbeschädigt.
-
Durch die Verwendung eines dünnen elektrisch leitfähigen Materials zur Ausbildung eines elektrischen Kontaktelements (z.B. Kupfer-Folie) ändert sich der Faservolumenanteil des Pultrusionsprofils an dieser Position nur sehr geringfügig. Auch der Verlauf der Fasern, mit denen der mechanisch stabile Teil des Pultrusionsprofils gebildet ist, wird nur geringfügig beeinflusst. Zur Verbesserung der Haftung kann das elektrische Kontaktelement im Inneren des Pultrusionsprofils angeordneten Bereich perforiert oder an seiner Oberfläche mit Konturelementen ausgebildet sein, so dass noch ein zusätzlicher Formschluss innerhalb des Matrixmaterials erhalten werden kann.
-
Um das Bauteil und ein elektrisches Kontaktelement, insbesondere eines Kontaktelements , das als elektrisch leitfähige Folie oder als ein anderes flexibel verformbares Element ausgebildet ist, gezielt innerhalb des Pultrusionsprofils anzuordnen, können flexibel verformbare Trägermaterialien eingesetzt werden, die bei der Formgebung im Pultrusionswerkzeug auch entsprechend verformt werden können und sich der jeweils gewünschten Geometrie des fertig hergestellten Bauteils bzw. Profils anpassen können.
-
Eine Vorfixierung eines elektrischen Kontaktelements beispielsweise auf einem Trägervlies ist mittels Sticken/Aufnähen oder Kleben möglich.
-
Dadurch wird es auch möglich, mehrere Funktionselemente so definiert zu positionieren und fortlaufend funktionalisierte Profile herzustellen. Anderseits können wiederholend Funktionselemente im fortlaufenden Pultrusionsprofil eingebracht und definiert darin angeordnet werden, um ein mehrfach z.B. überwachtes Bauteil herzustellen.
-
Mit der Erfindung können folgend genannte Vorteile erreicht werden:
- • Keine Aufwändige Freilegung der elektrischen Kontaktfläche → keine große Beschädigung des gesamten Profils
- • Eignung für die Serienfertigung
- • Bessere Reproduzierbarkeit
- • Breitere Anwendungsmöglichkeiten
- • Einfache elektrische Kontaktierung nach außen (z. B. über Löten / Federkontakt / Klemmkontakt)
- • Nutzung von kontinuierlichen, funktionalisierten Halbzeugen → Verfahrensgerechte Materialbereitstellung
-
Anwendungsbeispiele:
- • Pultrudierter Fensterrahmen mit integrierten Sensoren zum Vergleich Innen- und Außenbedingungen hinsichtlich Luftfeuchtigkeit und Temperatur → aktives Ansteuern zum Öffnen / Schließen des Fensters oder der Anzeige, dass dies sinnvollerweise vom Bewohner gemacht werden sollte.
- • Pultrudierte Brücken(elemente) mit integrierter Dehnungsüberwachung und Beleuchtung, über welche z.B. auch Zustände angezeigt werden können oder eine adaptive Beleuchtung realisiert werden kann (mit Photosensitiven Sensoren → ausschalten / anschalten der LEDs je nach Dunkelheit / Wetter.
-
Anwendungsbeispiel: Brückenelement:
-
Technische Fasern werden in Form von Rovings, Schläuchen und Bändern von Spulen gezogen und in einem Harzbad mit Epoxidharz getränkt. Hinzu wird ein gestickter Dehnungssensor, welcher auf einem Vlieswerkstoff als Trägermaterial aufgebracht ist, von einer Spule abgezogen und über das Harzbad geleitet. Der Sensor ist an den Kontaktstellen mit elektrisch leitfähigen Folien versehen. Mittels Blenden werden die Fasern in ein Werkzeug eingezogen, der Sensor im Profilquerschnitt angeordnet und die elektrisch leitfähige Folie entsprechend oberflächennah positioniert. In dem auf 190 °C beheizten Pultrusionswerkzeug wird das Profil ausgehärtet und von den Greifern am Ende der Produktionsstrecke abgezogen, so dass ein kontinuierlicher Prozess möglich ist. Im Nachgang ist eine einfache Kontaktierung der Dehnungssensoren möglich, da die elektrisch leitfähigen Folien an der Oberfläche oder in einem oberflächennahen Bereich liegen, können diese nachträglich freigelegt und kontaktiert werden. Hierdurch können die Dehnungen des Brückenelements gemessen und hierüber eine Aussage über die Belastungen und die Auslastung getroffen werden.