Messfelder aus C-Fasern

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Nelly Eberhardt
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1 Einsatzpotential von Messfeldern aus elektrisch kontaktierten Kohlestofffasern mit hexagonaler Anordnung für Leichtbaustrukturen aus Faserverbundwerkstoffen, Prof. Dr. rer. nat. Petra Selting Fachhochschule München, Fakultät Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik Prof. Dr.-Ing. Helmut Rapp Universität der Bundeswehr München, Institut für Leichtbau Diese Arbeit entstand im Rahmen von Projekt- und Diplomarbeiten mit Unterstützung der BMW AG in München

2 Inhalt Einleitung Charakterisierung der Piezoresistivität von Kohlestofffasern Grundsatzuntersuchungen an ebenen Messfeldern Messfahrt mit Hardtop aus SMC Ausblick Zusammenfassung

Die elektrische Leitfähigkeit von C-Fasern Nur drei der vier

erfolgt über die freien Außenelektronen Spezifischer elektrischer

C-Faser Das thermische Ausdehnungsverhalten von C-Fasern Kohlenstofffasern

3 Die elektrische Leitfähigkeit von C-Fasern Nur drei der vier Außenelektronen des C-Atoms sind besetzt; die elektrische Leitfähigkeit erfolgt über die freien Außenelektronen Spezifischer elektrischer Widerstand ist abhängig von der Graphitisierungstemperatur Struktur der C-Faser Das thermische Ausdehnungsverhalten von C-Fasern Kohlenstofffasern haben ein anisotropes thermisches Ausdehnungsverhalten α 1 = 0,4 0 4 *10 α = 13* / 1/ K K 2 1

Widerstand d (µwm) 16 12 8 4 T300 T800H PAN (ε Bruch = 1,5%) Pitch (ε

4 Spezifischer elektrischer Widerstand von C-Fasern 20 Elektischer Widerstand verschiedener C-Fasern elektr. Widerstand d (µwm) T300 T800H PAN (ε Bruch = 1,5%) Pitch (ε Bruch = 0,5%) M50J M60J PAN-Soficar PAN-SGL Nippon Graphit Fiber E-Modul (GPa)

5 Charakterisierung der Piezoresistivität

Widerstand da/a dr R = k ε = ε ( 1+ 2υ ) dρρ + ρ ( dl/l dρ/ρ k -

6 Definition der Piezoresistivität l dr da dl R = ρ ; = + + A R A l dρ ρ R - Elektrischer Widerstand A - Querschnittsfläche l - Länge ρ - spezifischer Widerstand da/a dr R = k ε = ε ( 1+ 2υ ) dρρ + ρ ( dl/l dρ/ρ k - Dehnungsempfindlichkeit (für Dehnungsmessstreifen k = 2) ν - Querdehnzahl dρ/ρ = piezoresistiver Anteil

7 Präparation der C-Fasern Stabilisieren der Faser Vernickeln der Enden in einem galvanischen Prozess Anbringen der Kontaktierungspins Anbringen der Krafteinleitungen Vernickeln Spannvorrichtung Anlöten der Pins

8 Ermittlung der Piezoresistivität (Experimentelles) Widerstandsmessung mit MGC der Firma HBM Speisespannung 2,5 V Halbbrückenschaltung mit Kompensations-Probe (4 Leiter) Verformungsmessung mit Zwick 1476 Prüfgeschwindigkeit 1 mm/min Fühleraufnehmer mit lo = 100 mm C-Faser (PAN, 1000 K) Länge 300 mm, R o = 350 Ω Kontaktierung an den Enden mit Pins

9 Ermittlung der Piezoresistivität (Ergebnisse) Volta age [mv V/V] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Typ: Tenax HTA tex f 1000 S15 Dehnungsempfindlichkeit k =1, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Strain [%] Bei guter Kontaktierungsqualität und Krafteinleitung wurde eine ausgezeichnete Linearität bis zu einem Dehnungsniveau von 0,5% ermittelt Es ergibt sich eine Querdehnzahl ν = 0,45

10 Aufbau von Sensornetzen

11 Entwickelte Sensornetze Rechtwinklige Anordnung der C-Faser Sensoren Hexagonale Anordnung der C-Faser Sensoren 22 Sensoren in Halbbrücke Ziel: Untersuchungen zum Schadensmonitoring (Impact) Ziel: Spannungsanalyse

12 Untersuchte Auswertealgorithmen für Sensornetzen mit hexagonaler Anordnung (x 1,y 1 ) u v 1 Interpolationsverfahren mit Polynomen höherer Ordnung 1 Auswertung entsprechend dem Mohrschen Spannungskreis 120 o 60 o 0 o (x 2, y 2 ) (x 3, y 3 ) v 3 Verzerrungs- und Verschiebungsansätze für Dreieckselemente entsprechend FEM Linearer Verschiebungsansatz führt zu konstanter Dehnungsverteilung im Dreieck (3 Unbek.) u2 v3 1 ε x = ε y = γ xy = ( x3u2 + x2u x y x y 2 3 Quadratischer Ansatz mit linearer Dehnungsverteilung im Element (10 Unbekannte) ε 2 x = a2 + 2 a4x + a5 y ε y = a9 + a11x + 2a12 y γ xy = a3 + a5x + a5 y + 2a6 y + a8 + 2a10 x + a ) y

13 Versuchsplatte und Messaufbau Platte aus PMMA (1000 * 1000 mm 2 ) Messfeld aus 20 C-Faser 7 DMS Rosetten 3 CanHead Module 3 statische Belastungsfälle Impactsimulation

14 Vergleich der Verschiebungsansätze für die Dehnung εx Linearer Verschiebungsansatz Quadratischer Verschiebungsansatz Modell Versuch

15 Interpolationsverfahren 1) Zweidimensionale Interpolation für jede Messrichtung 60 Grad 0 Grad 120 Grad 2) Überlagerung an den Schnittpunkten

16 Messfahrt mit Hardtop aus SMC

17 Messaufbau 16 Fasersensoren als Halbbrücke 8 DMS (RY und LY) 3 Spider 8 von HBM mit PC Messfrequenz je Kanal 400 Hz Fahrzeug: BMW Z4 (1995 cm 3 ) mit SMC Hardtop Messfahrt im Stadtbereich

18 Frequenzanalyse bei Fahrt über Gleisanlage Vergleich zwischen DMS und Kohlenstofffaser Messdaten im Zeitbereich Ermitteltes Frequenzspektrum nung [µm/m] Deh Faser DMS 0 7 7,2 7,4 7,6 7,8 8 8,2 8,4 8,6 8,8 9-2 Zeit [Sekunden]

19 Verformungsverhalten beim Ablegen des Dachmoduls

20 Ausblick zum Einsatz von C-Fasernetzen

Fertigungsqualität Beschleunigung des Entwicklungsprozesses Health

21 Weiterentwicklung zum multifunktionalen Element Fertigung --- Entwicklung --- Nutzung Zentrale Aufgabenstellungen: Überprüfung der Fertigungsqualität Beschleunigung des Entwicklungsprozesses Health Monitoring Zusatzfunktionen für Anwender Erwärmung auf 50 o C bei 5000 W / m 2

22 Monitoring der Fertigungsqualität mit C-Fasernetzen Ziel: Detektion von Lunkern und trockenen Stellen bei Injektionsverfahren Bisher Einsatz von Sensoren zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften Verhalten von Dipolen im elektrischen Feld

23 Zusammenfassung Messfelder aus elektrisch kontaktierten C-Fasern sind grundsätzlich zur Spannungs- und Schwingungsanalyse geeignet Bei guter Kontaktierungsqualität und Krafteinleitung it konnte eine ausgezeichnete Linearität bis zu einem Dehnungsniveau von 0,5% ermittelt werden Die Dehnungsempfindlichkeit beträgt k = 1,9, die Querdehnzahl liegt bei ν = 0,45 Durch den Einsatz von Messfeldern kann die Entwicklung von Faserverbundstrukturen beschleunigt werden Für eine abschließende Bewertung des Einsatzpotentials sind ein Vielzahl weiterer Untersuchungen notwendig: Health Monitoring Monitoring der Fertigungsqualität Untersuchung verschiedener elektrischer Prinzipien in Hinblick auf Multi- funktionalität

24 Danksagung Martin Derks und Ingeborg Garth von der BMW AG in München Diplomanden und wissenschaftliche Mitarbeiter der FH München: Alig Robert, Janovic Goran, Müller Tobias, Schmiedt Stefan Diplomanden und wissenschaftliche Mitarbeiter an der Uni der Bundeswehr: Jan Sames, Jens Birkel

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