-
Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Schadensermittlung an Bauteilen aus wenigstens einem faserverstärktem Kunststoff, mit einer Mehrzahl von Sensoren die an einem Bauteil voneinander beabstandet anordenbar oder angeordnet sind, wobei die Sensoren in Gebrauchsstellung über eine gekrümmte Fläche des Bauteils verteilt sind.
-
Im Prinzip sind Messsysteme bekannt, deren Sensoren an einem Bauteil aus faserverstärkten Kunststoff aufgebracht werden können. Um mit einem Messsystem an derartigen Bauteilen beispielsweise einen zukünftigen Schadeneintritt mit vertretbarere Ortsauflösung zuverlässig beurteilen zu können, müssen die Sensoren in entsprechender Anzahl mit hohem Aufwand an der entsprechenden Fläche angeordnet werden. Will man außerdem sowohl Aussagen über den Herstellungsprozess des Bauteils, als auch über in deren Betrieb auftretende Störfaktoren anhand von Sensorerfassungen treffen, ist der vorstehende Aufwand gegebenenfalls sogar mehrfach zu treiben. In gleichem Maße steigt auch der für die zugeordneten messtechnischen Einrichtungen, etwa für die Signalverarbeitung zu treibende Aufwand.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messsystem zur Verfügung zu stellen, mit dem sich bei Bauteilen aus einem faserverstärkten Kunststoff mit vertretbarem Aufwand, kostengünstig und zuverlässig Prozessparameter und/oder Zustandsgrößen bei Herstellung und/oder Betrieb des Bauteils gewinnen lassen. während deren Herstellung, als auch der Einfluss von potentiell schädlichen Ereignissen auf deren strukturelle Integrität im Betrieb überwacht werden können.
-
Diese Aufgabe wird durch Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Lösung besteht demnach insbesondere darin, das Bauteil mit einem bauteilfremden Substrat zu versehen, an welchem die Sensoren anordenbar oder angeordnet sind, wobei das Substrat flexibel ausgebildet ist und dass die an dem flexiblen Substrat angeordneten Sensoren eine Messeinrichtung bilden. Bei der Erfindung wird also eine Messeinrichtung in Form einer Mehrzahl von Sensoren an einem flexiblen Substrat, etwa einer geeigneten Folie, angeordnet und bereits bei der Herstellung an dem Bauteil integriert. Auf diese Weise wird quasi dem Bauteil eine zusätzliche Fähigkeit verliehen, nämlich diejenige, mit vertretbarem Aufwand, kostengünstig und zuverlässig sowohl Prozessparameter während deren Herstellung, als auch der Einfluss von potentiell schädlichen Ereignissen auf deren strukturelle Integrität im Betrieb im Grunde selbst zu überwachen, so dass die entsprechenden Daten prinzipiell jederzeit zur Verfügung stehen. Dabei bildet das mit den Sensoren versehene flexible Substrat eine Art Sensorhaut. Die Krümmung der Fläche, die die Sensorhaut bildet, ist dabei im gaußschen Sinne zu verstehen, so dass in einem Extremfall eine Fläche mit verschwindender gaußscher Krümmung einen Untergruppe eines Torso, nämlich eine Ebene, bildet. Weitere vorteilhafte Merkmale beinhalten die Unteransprüche.
-
Bei einer vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Messsystems, die das Substrat besonders zuverlässig an dem Bauteil anordnet, kann das flexible Substrat (22) bei der Herstellung des Bauteils (5) mit dessen Matrix eine stoffschlüssige Verbindung eingehen.
-
In einer vorteilhaften Ausführung kann die Sensorhaut mit dem flexiblen Substrat zum einen an einer Bauteiloberfläche angeordnet sein, andererseits kann sie auch während eines Fügeprozesses des betreffenden Bauteils bei stoffschlüssige Verbindung zweier Strukturelemente in das Innere der Matrix eingebunden worden sein, so dass mit den Sensoren auch Werte aus dem Inneren des Bauteil gewinnbar sind.
-
In vorteilhaften Weiterbildungen kann die Messeinrichtung mit ihren Sensoren dazu vorgesehen sein, den Herstellungsprozess, einen Schadenseintritt während des Betrieb des Bauteils oder aber auch beide Prozesse zu überwachen, so dass anhand entsprechender Zustandsgrößen als Maß potentiell Werte ab der Entstehung des Bauteils bis zu einem Schadenseintritt gewonnen werden können.
-
In einer anderen Ausgestaltung kann bei dem erfindungsgemäßen Messsystem die Mehrzahl von Sensoren der Messeinrichtung als Ultraschalltransducer ausgebildet sein, so dass mit diesen Sensoren eine ganze Anzahl von etablierten Messverfahren zur Verfügung steht, um eine strukturelle Veränderung an dem betreffenden Bauteil feststellen zu können. Im Zusammenhang mit dieser Anmeldung ist die Bezeichnung Sensor sowohl in ihrem eigentlichen Wortsinn, als auch im Sinne einer Sensor-/Aktuator-Anordnung, also eines Wandler (Transducer), zu verstehen, mit welchem ein Signal sowohl aufgenommen, als auch erzeugt werden kann. Bei solchen Wandern stehen dann auch verschiedene Wandlungsprinzipien zur Verfügung, mit denen im Falle eines Ultraschall-Messverfahrens akustische in elektrische Signale gewandelt werden können, nämlich beispielsweise das elektrostatische, das piezoelektrische oder das piezoresistive Wandlungsprinzip. Es sind aber auch Wandler mit davon verschiedenen Wandlungsprinzipien denkbar.
-
Bevorzugte Weiterbildungen des Messsystems können Ultraschall-Transducer als mikromechanisch hergestellte kapazitive Ultraschall-Transducer oder als piezoelektrische Dünnschicht aufweisen. Dabei sind kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers, CMUT) mikromechanische Strukturen, die zur Erzeugung und zum Empfang akustischer Signale im Ultraschallbereich eingesetzt werden können. Mit ihnen können hochqualitativ, miniaturisierte Ultraschallsender/-empfänger realisiert werden, die gut in CMOS-Schaltkreise integrierbar und hochtemperaturbeständig sind. Die Verwendung von mittels eines Abscheideprozesses aufzubringenden dünnen Schichten erlaubt ebenfalls die gezielte Anwendung der Piezoelektrizität bestimmter Materialien für die Fertigung miniaturisierter Systeme mit sowohl sensorischen, als auch mit aktorischen Eigenschaften
-
Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn ein Teil der Sensoren als Temperatursensoren ausgebildet ist, sodass eine Schadensüberwachung auch anhand von Temperaturmessungen stattfinden kann, beispielsweise als Widerstandstemperaturmessung, bei der mittels Vier-Leiter-Messtechnik gemessen wird. Gegebenenfalls kann hierdurch eine Überprüfung der Messungen mit andren Arten von Sensoren stattfinden.
-
Es ist weiterhin denkbar, dass beim Einsatz von Ultraschallsensoren zur Detektion von Delaminationen an dem betreffenden Bauteil ein so genannter SystemOn Chip-Ansatz zum Einsatz kommt, bei dem am Ort des Sensors oder an einer Stelle der Sensorfolie, die mit dem zu überwachenden Bauteil verbunden ist, Logikelemente und/oder mikromechanische Strukturen in einem oder mehreren Chips vereint sind, so dass mechanische und elektrische Informationen unmittelbar nach ihrer Entstehung/Erfassung bereits lokal verarbeitet werden können.
-
In vorteilhafter Weise kann bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messsystems eine Detektion von Delaminationen an dem jeweiligen Bauteil durch Ultraschall mittels eines Puls-Echo-Verfahrens stattfinden, das gut beherrschbar ist und zuverlässige Ergebnisse liefert. Bei diesem Verfahren wird beispielsweise eine Zeitverzögerung eines Signals gemessen, wobei gegebenenfalls auftretende Delaminationen in der Struktur des Bauteils diese Zeitverzögerung verringern. Möglich ist auch, dass stattdessen die Änderung der Amplitude gemessen wird. Es sind auch andere Verfahren, etwa durch den Einsatz von Lamb-Wellen möglich.
-
Eine andere zweckmäßige Ausführung des Messsystems kann vorsehen, dass alternativ zu piezoelektrischen Sensoren die Ultraschallmessungen der Messeinrichtung mit kapazitiven Ultraschallwandlern stattfindet. So kann beispielsweise mit kapazitiven Sensoren die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen in einem Harzinjektionsverfahren überwacht werden. In einer anderen bevorzugten Variante können beispielsweise kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT capacitive micromechanic ultrasonic transducer) als mikromechanische Strukturen zur Erzeugung und zum Empfang akustischer Signale im Ultraschallbereich eingesetzt werden. Auch diese erlauben eine Miniaturisierung und die Integration in einen hochintegrierten Schaltkreis, der wiederum vorteilhaft in die Sensorhaut, also das flexible Substrat, integriert werden kann. CMUTs habe überdies Vorteile hinsichtlich ihrer kurzen Einschwingzeiten, günstigen Herstellungskosten und geringen Fertigungstoleranzen. Der kapazitive Ansatz ist vor allem für Herstellung- und Betriebsbedingungen bei erhöhten Temperaturen von Vorteil.
-
Um mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung beispielsweise Delaminationen als Schädigungen der Struktur des Bauteils in der Größenordnung von einem Zoll oder 1 cm Durchmesser zuverlässig detektieren zu können, ist die Messeinrichtung an dem flexiblen Substrat in dessen beiden flächigen Erstreckungsrichtungen mit einer Matrix von in diesen Richtungen jeweils gleichmäßig beabstandeten Sensoren, insbesondere in beiden Richtungen mit einem identischen Abstand vorgesehen, sodass eine genügend hohe Sensordichte erreicht werden kann. Dabei kann sich die Sensordichte besonders bevorzugt in etwa in der Größenordnung ein es zu erwartenden Schadensereignisses in Form bspw. einer Delamination bewegen. Es sind aber auch andere Abstände, die in keiner der Dimensionen notwendigerweise eine Art von Gleichmäßigkeit aufweisen müssen, denkbar.
-
Zur Vermeidung eines erhöhten Verkabelungsaufwandes sowie der Anordnung weiterer messtechnischer Einrichtungen in der Umgebung des mit dem Messsystem versehenen Bauteils kann eine zweckmäßige Weiterbildung des Messsystems darin bestehen, an dem flexiblen Substrat Leiterbahnen, Multiplexer oder sonstige elektronische Einrichtungen aufzubringen und zu integrieren. Dies bedeutet, dass der wesentliche Teil der Signalkette der bei den entsprechenden Messungen erzeugten Signale an der Sensorhaut selbst erzeugt, empfangen und verarbeitet wird und über mit der Sensorhaut verbundenen Kabel lediglich zu- bzw. abgeleitet wird. Neben den Sensoren/Transducern können an dem flexiblen Substrat über Schaltkreisintegration beispielsweise Multiplexer, eine Signalverarbeitungseinheit und ein sogenanntes Analog-Front-End angeordnet sein, wobei letzteres etwa Transmitter, Receiver, Verstärker und Filter sowie Digitizer enthalten kann. Insgesamt ist also hierbei der überwiegende Teil der Signalverarbeitungsausrüstung bereits an dem mit dem Bauteil verbundenen Substrat integriert.
-
Um eine zuverlässige Integration des Substrats an der Matrix des Bauteils aus faserverstärkten Kunststoff erreichen zu können, kann bei einer anderen Ausführung des Messsystems das Substrat eine Sensorfolie bilden und aus einem thermoplastischen Hochleistungskunststoff hergestellt sein. Hierdurch kann das betreffende Substrat an dem Bauteil bereits bei dessen Herstellung mit der Bauteilmatrix verbunden werden. Hierbei handelt es sich in der Regel um ein Stoff schlüssiges Fügeverfahren, bei dem, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Adhesivmittels„ etwa eines Klebers, die jeweiligen Strukturen miteinander verbunden werden, wobei es in der Regel zu einem Anläsen der Struktur des Substrats unter Wärmeeinfluss kommt, wodurch eine gute Anbindung an die unter demselben Wärme Einfluss aushärtende Kunststoffmatrix des Bauteils gelingt.
-
Insbesondere kann das flexible Substrat mit dem Bauteil durch einen Co-bonding oder Co-curing-Prozess verbindbar oder verbunden sein. Dies bedeutet, dass vorzugsweise die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem flexiblen Substrat und der Bauteilmatrix entweder durch eine hart in nass-Verklebung (Co-bonding) oder eine nass in nass-Verklebung (Co-curing) stattfindet, also jeweils Verfahren, bei denen zumindest einer der Fügepartner noch nicht ausgehärtet ist, sodass eine zuverlässige Gefügeverbindung zwischen Substrat und Bauteilmatrix bei geringen Toleranzen realisiert ist. Das flexible Substrat kann durch einen derartigen Prozess auch bei einem Fügen mehrerer Strukturelemente zu einem Gesamtbauteil zwischen den Strukturelementen integriert werden.
-
Eine zuverlässige Anordnung an dem jeweiligen Bauteil gelingt mit einem flexiblen Substrat, bei welchem der thermoplastische Hochleistungskunststoff aus einem Polyimid, insbesondere Polyethrimid, oder einem Polysulfon, insbesondere Polyethersulfon gebildet ist. Diese bilden jeweils geeignete Folienmaterialien, die bei dem jeweiligen Herstellungsprozess zuverlässig an die Kunststoffmatrix des Bauteils anbinden. Wird das flexible Substrat als Folie mittels eines Co-Bonding-Verfahrens an dem Bauteil integriert, so kann der hierbei eingesetzte Kleber derart angepasst sein, dass er der Impedanzanpassung für eine Ultraschallmessung dient, also der Anpassung des akustischen Impedanzunterschieds zwischen den verschiedenen Festkörpern, sodass hierüber ein verbessertes Signal-Rauschverhältnis erreicht werden kann. Um die an dem flexiblen Substrat aufgebrachten Strukturen gegenüber ihrer Umgebung in einfacher Weise schützen zu können, ist das Substrat mit den daran angeordneten Strukturen mit wenigstens einer zusätzlich angeordneten Schicht, insbesondere einer mechanisch und/oder elektrisch isolierenden Schicht versehen. Wird bei einer bevorzugten Ausführung als flexibles Substrat und/oder für die aufgebrachten Schichten LCP (liquid crystal polymer) verwendet, kann man von einer erhöhten Lebensdauer ausgehen, da z. B. die Feuchteaufnahme sehr gering ist und von einer hohen Dimensionsstabilität auch bei erhöhten Temperaturen ausgegangen werden kann.
-
Die vorstehende Aufgabe wird auch gelöst durch die Verwendung einer Sensoranordnung an einer gekrümmten Fläche eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff, wobei die Sensoranordnung an einem flexiblen Substrat aus einem thermoplastischen Hochleistungskunststoff gebildet wird, welches bei der Herstellung des Bauteils mit dessen Matrix verbunden wurde.
-
Falls die Lebensdauer der auf der Sensorfolie integrierten Elektronikkomponenten durch die bei der CFK-Bauteilfertigung herrschende hohe Temperatur zu stark verringert wird bzw. die Elektronikkomponenten geschädigt werden, können diese auch nachträglich aufgebracht und/oder ausgetauscht werden. Dies lässt sich bei einer vorteilhaften Variante der Verwendung vereinfachen, indem Interposer vorgesehen werden, auf welche die Elektronikchips aufgesteckt werden können. Hierdurch sind die Abstände der Kontaktglieder flexibler handhabbar was zu einem robusteren Fertigungsprozess führt. Mit der Erfindung kann demnach eine Folie mit hoher Sensordichte und integrierter Elektronikfunktionalität, die an einem zu überwachenden Bauteil integriert ist, sowohl eine Prozessüberwachung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen, als auch die Schadensdetektion im Betrieb übernehmen. Hierdurch wird erreicht, dass mit einem einzigen System für Prozessüberwachung und Schadensselektion gearbeitet werden kann, wobei dank integrierter Elektronik im Wesentlichen überhaupt kein Verkabelungsaufwand zu treiben ist, und durch Einsatz eines etablierten Verfahrens (Puls Echoverfahren) eine einfache Signalauswertung und Schadenslokalisierung möglich ist.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Messsystem ist auch eine Bauteil-Selbstüberwachung möglich, die Kontrolluntersuchungen ersetzt und Wartungsintervalle verlängert oder an bestimmten Stellen gegebenenfalls obsolet macht. Auch ein Einsatz in den Gebieten Retrofit/Repair bei Wartung und Instandhaltung insbesondere von Teilen der Luft- und Raumfahrt ist denkbar.
-
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere könnte man hierbei an eine Kombination unterschiedlicher Sensoren an einer Sensorhaut denken, um die Verlässlichkeit der Messungen zu erhöhen. Auch ein Einsatz verschiedener Sensorhäute, beispielsweise an einer größeren Fläche hintereinander mit abwechselnden Sensoren angeordnet, wäre denkbar. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung.
-
Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. In teilweise schematisierter Darstellung zeigen hierbei die
-
1 eine geschnittene Seitenansicht eines Messsystems mit einer Sensorhaut als flexiblem Substrat auf einem CFK-Bauteil mit piezo-Sensoren
-
2 eine perspektivische Seitenansicht einer Anordnung einer Sensorhaut mit elektronischen Bauteilen am parabolischen Profil einer Anströmkante einer Tragfläche.
-
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
-
Die 1 zeigt zunächst ein im Ganzen mit 1 bezeichnetes Messsystem zur Schadensermittlung an einem Bauteil 5 aus einem faserverstärkten Kunststoff. An der für den Betrachter oberen Seite des Bauteils 5 ist als Sensorhaut 20 eine Folie aus einem flexiblen Substrat 22 angeordnet, diese Sensorhaut 20 ist mit einer Mehrzahl von Sensoren 24 versehen, die an dem Substrat 22 eine Messeinrichtung 10 bilden. Dabei sind die Sensoren 24 durch auf dem flexiblen Substrat 22 aus einem Polyetherimid angeordnete Transducer gebildet. Diese wiederum bestehen aus zwei einander gegenüberliegenden Elektroden 26A, 26B, zwischen denen eine piezoelektrische Keramikfolie 28 angeordnet ist.
-
Diese Anordnung von Transducern als Sensoren 24 bildet an dem flexiblen Substrat 22 die Sensorhaut 20, die an einer Oberfläche des Bauteils 5 angeordnet ist.
-
Mit den Sensoren 24 wird an dem Bauteil 5 zur Schadensdetektion ein Puls-Echoverfahren durchgeführt, was anhand der zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 6a, 6b des Bauteils 5 hin- und herlaufenden Ultraschallwellen dargestellt ist, die durch Pfeile 32b, 32b, 33a, 33b angedeutet sind. Im linken Bereich der 1 erkennt man dabei ungehindert zwischen den Seitenflächen 6a, 6b hin und her laufende Schallwellen 32, a, 32b, während im rechten Bereich deren Laufzeit dadurch verkürzt ist, dass die Schallwellen 33a, 33b auf ihrem Weg durch das Kunststoffbauteil 5 auf eine Delamination 34 treffen und bereits dort reflektiert werden.
-
Dass auch die Signalverarbeitung an der Sensorhaut 20 bereits großenteils stattfindet, liegt an elektronischen Einrichtungen 36, die an dem flexiblen Substrat 22 aufgebracht und integriert sind, wie man in der 2 erkennen kann. Dort dargestellt ist die Anströmkante 8 eines Abschnitts einer Tragfläche 15 eines Luftfahrzeugs. Deren parabolartiges Profil 16 ist an seiner Innenseite mit einer Mehrzahl von Sensorhäuten 20 versehen. Im vorliegenden Fall bilden die Sensorhäute 20 jeweils erkennbar eine gekrümmte Fläche an der Innenseite des Tragflächenprofils 16. An den Sensorhäuten 20 sind wiederum über die jeweilige Fläche gleichmäßig verteilt angeordnete Sensoren 24 zu erkennen, die an dem glasfaserverstärkten Bauteil 5 Ultraschallmessungen durchführen können.
-
Durch die in dem zuvor stattgefundenen Herstellungsprozess erreichte dauerhafte Verbindung zwischen der Sensorhäuten 20 und dem Bauteil 5 kann eine ununterbrochene Überwachung der strukturellen Integrität des betreffenden Bauteils 5 sowie die zugehörige Signalverarbeitung gewährleistet werden.
-
Dementsprechend betrifft also die vorstehend beschriebene Erfindung ein Messsystem 1 zur Schadensermittlung an Bauteilen 5 aus wenigstens einem faserverstärkten Kunststoff mit einer Mehrzahl von Sensoren 24, die an einem Bauteil 5 von einander beabstandet anordenbar oder angeordnet sind, wobei die Sensoren 24 in Gebrauchsstellung über eine gekrümmte Fläche des Bauteils 5 verteilt sind.
-
Um ein Messsystem 1 zur Verfügung zu haben, mit dem sich bei Bauteilen 5 aus einem faserverstärkten Kunststoff mit vertretbarem Aufwand kostengünstig und zuverlässig Prozessparameter und/oder Zustandsgrößen bei Herstellung und Betrieb des Bauteils 5 gewinnen lassen, ist das Bauteil 5 mit einem bauteilfremden Substrat 22 versehen, an welchem die Sensoren 24 anordenbar oder angeordnet sind, wobei das Substrat 22 flexibel ausgebildet ist und dass die an dem flexiblen Substrat 22 angeordneten Sensoren 24 eine Messeinrichtung 10 bilden. In einer bevorzugten Weiterbildung geht das flexible Substrat 22 darüber hinaus bei der Herstellung des Bauteils 5 mit dessen Matrix eine stoffschlüssige Verbindung ein.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Messsystem
- 5
- faserverstärktes Bauteil
- 6a, 6b
- Seitenflächen des Bauteils
- 8
- Anströmkante Tragfläche
- 10
- Messeinrichtung
- 15
- Tragfläche
- 16
- Tragflächenprofil
- 20
- Sensorhaut
- 22
- flexibles Substrat
- 24
- Sensor/Transducer
- 26a, 26b
- Elektrode
- 28
- piezoelektrische Keramikfolie
- 32a, 32b
- Pfeile
- 33a, 33b
- Pfeile
- 34
- Delamination
- 36
- elektrische Einrichtungen
