DE102009056895A1

DE102009056895A1 - Verfahren zur Erfassung von Messgrößen in einem FVK-Bauteil

Info

Publication number: DE102009056895A1
Application number: DE200910056895
Authority: DE
Inventors: Georg Wachinger; Jürgen FILSINGER; Alois Dr. Friedberger; Gerhard Dr. Müller
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-06-16

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundkunststoff (FVK), das eine Messwerterfassung aus dem Bauteilinneren ermöglicht, wird mindestens ein Mikrosensor während des Herstellungsprozesses des Bauteils zwischen den Faserlagen plaziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundkunststoff (FVK), das eine Messwerterfassung aus dem Bauteilinneren ermöglicht.
Der Anteil an Faserverbundkunststoffen (FVK) in Industriezweigen wie Luftfahrt, Automobilbau und Schienenfahrzeugbau nimmt ständig zu, insbesondere auch für strukturelle Anwendungen. Gleichzeitig steigen auch die Anforderungen an Qualität, Beanspruchung und Lebensdauer dieser Faserverbundkunststoffe.
Bisher kann das Verhalten dieser Werkstoffe im Herstellungsprozess und dem Einsatzbereich nur extern und nicht im Werkstoff selber kontrolliert werden. So wird beispielsweise der Vernetzungsgrad während der Herstellung des FVK-Bauteils entweder indirekt über dem Temperaturverlauf während der Härtung oder über thermoanalytische Messverfahren an Begleitproben ermittelt. Eine Kontrolle im Werkstoff selber ist zwar für Vorversuche, z. B. durch das Einlegen von Thermoelementen für die Aufzeichnung des Temperaturverlaufes möglich. Nachteilig bei all diesen Verfahren ist derzeit, dass die Mess-Systeme (z. B. Thermoelemente, Fiber-Brags) geometrisch zu groß sind, bzw. mit Anschlussleitungen versehen werden müssen und somit die Werkstoffeigenschaften (u. a. die mechanischen Eigenschaften) nachteilig beeinflussen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bereit zu stellen, durch das sich bereits während des Herstellungsverfahrens eines FVK-Bauteils die physikalischen Eigenschaften des gebildeten Bauteils präziser als bisher feststellen lassen.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht also darin, dass mindestens ein Mikrosensor während des Herstellungsprozesses zwischen zwei Faserlagen (zwei Prepregs) an einer bestimmten Stelle plaziert wird, vorzugsweise also zwischen den Faserlagen eingebettet wird. Soweit der Mikrosensor mittels Drähten verbunden ist, werden diese auch zwischen den Faserlagen verlegt. Nach dem Aushärtevorgang ist der Mikrosensor integraler Bestandteil des Bauteils und beeinträchtigt die Werkstoffeigenschaften nur sehr geringfügig.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Anordnung eines Mikrosensors fast an beliebiger Stelle im Bauteilinneren, wodurch an dieser Stelle Messwerte erfasst und nach außen geliefert werden können. So ist es möglich, Verfahrensparameter während des Herstellungsprozesses zu erfassen, wodurch die Produktion von Ausschuss vermieden wird bzw. Ausschuss frühzeitig festgestellt und ausgesondert werden kann. Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit des Bauteils. Darüber hinaus lassen sich auch die Herstellungskosten reduzieren, weil ein Bauteil mit geringeren Sicherheitsfaktoren gefertigt werden kann, nachdem dessen physikalische Eigenschaften genauer messbar sind.
Die Einbringung mindestens eines Mikrosensors während des Herstellungsprozesses geschieht vorzugsweise dadurch, dass dieser zwischen einzelne Prepregs oder Faser-Preformlagen plaziert wird oder an Prepregs/Faser-Preforms zur Anhaftung gebracht wird, wenn diese zur Bildung des Bauteils übereinander gelegt werden.
Unter einem Mikrosensor wird im Rahmen der Erfindung ein Sensor verstanden, der dünner ist als 50 μm. In der Regel aber nicht ausschließlich, wird er auf einer Halbleiterstruktur, insbesondere einer Siliziumschicht eines Wafers gebildet. Beispielsweise lassen sich Temperatursensoren durch aufgesputterte Platin-Filme bilden. Sensoren für mechanische Spannungen lassen sich aus piezoresistiven Silizium-Messbrücken aufbauen. Bei chemischen Sensoren können poröse Materialien zum Einsatz kommen, in die Flüssigkeiten wie insbesondere Wasser, Skydrol (Phosphatester-Verbindungen) oder Kerosin eindringen und dadurch eine messbare Leitfähigkeits- oder Kapazitätsänderung bewirken können. Eine Selektivität bezüglich der zu messenden Substanzen kann durch geeignete Wahl des Sensormaterials bzw. durch eine funktionelle Beschichtung der Poren in den Wänden erreicht werden. Als poröses Material kann insbesondere auch poröses Silizium verwendet werden, das sich durch elektrochemisches Ätzen herstellen lässt. Die Maße eines Mikrosensors liegen etwa im Bereich von (L × B × H) < 1000 μm × < 500 μm × < 50 μm.
Vorzugsweise werden mehrere Sensoren in die Bauteilstruktur eingebracht. Dies kann dadurch geschehen, dass Sensoren zur Messung der gleichen Messgröße (z. B. mechanischer Spannungen) an verschiedenen Stellen im Bauteil zur Messung der Spannungen an verschiedenen Stellen plaziert werden. Beispielsweise bei der Bildung eines Rotors für einen Hubschrauber oder ein Propellertriebwerk können mehrere Sensoren entlang der Strömungslängsrichtung oder Querrichtung angeordnet werden, um ein Spannungsprofil im Rotor zu erhalten. Es können auch Sensoren zur Messung verschiedener Stoffe nebeneinander angeordnet werden, um verschiedene Stoffe (z. B. Luftfeuchtigkeit oder Kerosin) gleichzeitig zu messen. Auch kann es sinnvoll sein, Sensoren zur Messung chemischer neben solcher physikalischer Größen, vorzusehen um ein umfassendes Bild vom Zustand des Bauteils zu erhalten.
Die Mikrosensoren können gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit Anschlusskabeln zum Datentransfer und/oder der Energieübertragung versehen sein. Diese Ausführung ist baulich sehr einfach, weil die Mikrosensoren keine eigenen Bauelemente für den Datentransfer und die Energieübertragung benötigen und damit sehr einfach ausgebildet sein können. Andererseits steht dem die Leitungsführung für die Anschlusskabel als Aufwand und Risiko einer Schädigung während des Herstellungsprozesses bzw. im Einsatz gegenüber, nachdem üblicherweise sehr dünne Anschlusskabel verwendet werden. Und wenn ein Anschlusskabel unterbrochen ist, ist die Reparatur sehr aufwändig bis unmöglich. Auch wenn mehrere Sensoren anzuschließen sind, erhöht sich dadurch der Aufwand an Kabeln und damit der Fertigungsaufwand zur Herstellung des FVK-Bauteils.
Alternativ erfolgt gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine drahtlose Energieübertragung bzw. ein drahtloser Datentransfer. Diese Variante erfordert einen größeren bzw. komplexeren Aufbau der Mikrosensoren, während der Datentransfer bzw. die Energieübertragung u. U. einfacher gestaltet werden kann. So sind keine Beeinträchtigungen oder Schwächungen durch Leitungsführungen zu befürchten, selbst wenn Sensoren sehr tief im Faserverbundkunststoff angeordnet sind. Die Übertragung der Energie bzw. Signale erfolgt vorzugsweise induktiv oder über elektromagnetische Strahlung (Funk, Licht). Die Datenauslesung kann (insbesondere bei Verwendung von Anschlusskabeln) permanent geschehen oder nur bei Bedarf.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung läßt sich der Mikrosensor mit einem Chip kombinieren, so dass innerhalb des Chips eine intelligente Datenauswertung erfolgt und nur unter bestimmten Umständen (z. B. bei Überschreiten eines Schwellwertes) ein entsprechendes Signal abgegeben wird. Diese Kombination ist vor allem dann vorteilhaft, wenn der Mikrosensor sowieso auf einem Si-Wafer produziert wird und dabei eine Anschlussbeschaltung in Form eines Chips mit produziert werden kann.
Bei der Verwendung mehrerer Sensoren mit drahtlosem Datentransfer ist es zweckmäßig, wenn die Mikrosensoren individuelle Kennungen aufweisen, um diese von einander zu unterscheiden.
Die Signalübertragung aus dem FVK-Bauteil kann sich schwierig gestalten, wenn das Bauteil, z. B. aufgrund verwendeter Kohlefaser, eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweist. Ist der Abstand zwischen Sensor und Oberfläche des FVK-Bauteils nicht zu groß, kann die Signalabschwächung so gering sein, dass eine drahtlose Übertragung trotzdem möglich ist.
Eine weitere bevorzugte Möglichkeit der Signalübertragung besteht darin, den Sensor elektrisch mit einzelnen Fasern zu kontaktieren, wodurch die Signale außen am Bauteil an den Enden der Fasern abgegriffen werden können. Es können sogar einzelne Sensorschichten direkt durch Fasern kontaktiert werden, indem eine Sensorschicht partiell mindestens zwei Fasern bedeckt (kein Isolator zwischen Faser und Sensorschicht).
Optimierte drahtlose Übertragung aus dem FVK-Bauteil kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung erreicht werden, wenn der Sensor bzw. die Sendeeinheit so ausgelegt ist, dass das elektrische Feld parallel zur Faserrichtung wirkt. Weiterhin kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung die Sensoreinheit mit Elektronik so gestaltet sein, dass Signale durch induktive Kopplung auf die Fasern übertragen werden, die dann außerhalb des Bauteils ausgelesen werden.
Zur sensorischen Erfassung relevanter Parameter können Sensorschichten bestehend aus porösem Material aufgebracht werden. Diese können beschichtet werden, um Selektivität gegenüber unterschiedlichen chemischen Einflüssen zu erreichen. Die Adsorption zu detektierender Stoffe an der Oberfläche des porösen Materials lässt sich kapazitiv oder resistiv erfassen. Feldeffekt-Strukturen erlauben ebenfalls die Erfassung chemischer Parameter. Das Gate lässt sich funktionalisieren, um selektive Detektion zu ermöglichen. Auch diese Prozesse lassen sich in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren großtechnisch umsetzen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundkunststoff (FVK), das eine Messwerterfassung aus dem Bauteilinneren ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mikrosensor während des Herstellungsprozesses des Bauteils zwischen den Faserlagen plaziert wird, der während des Herstellungsprozesses des Bauteils bedeutsame physikalische oder chemische Größen misst, insbesondere den Matrixvernetzungsgrad des Faserverbundkunststoffs, die Steifigkeit, Dämpfungsverhalten, Glasübergangs- oder Kristallinitätstemperaturen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrosensoren verwendet werden, bei denen Datentransfer und Energieübertragung drahtlos erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrosensor eine der folgenden Messgrößen erfasst: Temperatur, mechanische Spannung, Feuchte, chemische Stoffe wie Treibstoffe (wie Kerosin), Hydraulikflüssigkeit wie Phosphatester-Verbindungen, Waschmittel oder Enteisungsflüssigkeit.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pregreg- oder trockene Faserformlinge zur Einbringung in die FVK-Struktur mit Aussparungen zur Aufnahme der Mikrosensoren versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosensoren auf Folien erzeugt werden, wobei die Folien als Sensorsubstrat verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Faser-Pre-Formen ohne Harz (Faser-Multi-Axial-Gelege bzw. trockene Faser-Vorformlinge) verwendet werden (Resin Transfer Molding).
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Folien dünne Thermoplaste eingelegt werden, wobei diese Zusatzfolien vorzugsweise als Substrat für die Sensoren verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Folien vor der Verarbeitung zu FVK-Bauteilen einen Rolle-zu-Rolle-Prozess durchlaufen, bei dem unterschiedliche Schichten und Materialien partiell aufgebracht werden, insbesondere eine hybride Integration von Bauelementen wie rückgedünnten Elektronik-Chips erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mikrosensor elektrisch mit einzelnen Fasern kontaktiert wird, wodurch die Signale außen am Bauteil an den Enden der Fasern abgegriffen werden können.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Sensorschichten direkt durch Fasern kontaktiert werden, indem eine Sensorschicht partiell mindestens zwei Fasern bedeckt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine drahtlose Signalübertragung von dem mindestens einen Mikrosensor aus dem FVK-Bauteil dadurch bewirkt wird, dass der Sensor bzw. dessen Sendeeinheit so ausgelegt wird, dass das elektrische Feld parallel zur Faserrichtung wirkt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Signale von dem mindestens einen Mikrosensor durch induktive Kopplung auf die Fasern übertragen werden, die dann außerhalb des Bauteils ausgelesen werden.
Bauteil aus Faserverbundwerkstoff (FVK), dadurch gekennzeichnet, dass dieses nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.