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
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 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*10 2 6 6 1/ 1/ K K 2 1
Spezifischer elektrischer Widerstand von C-Fasern 20 Elektischer Widerstand verschiedener C-Fasern elektr. Widerstand d (µwm) 16 12 8 4 T300 T800H PAN (ε Bruch = 1,5%) Pitch (ε Bruch = 0,5%) M50J M60J 0 0 200 400 600 800 1000 PAN-Soficar PAN-SGL Nippon Graphit Fiber E-Modul (GPa)
Charakterisierung der Piezoresistivität
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
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
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
Ermittlung der Piezoresistivität (Ergebnisse) Volta age [mv V/V] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Typ: Tenax HTA 5241 67 tex f 1000 S15 Dehnungsempfindlichkeit k =1,9 0 0 0,1 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
Aufbau von Sensornetzen
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
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 + a11 3 3 ) y
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
Vergleich der Verschiebungsansätze für die Dehnung εx Linearer Verschiebungsansatz Quadratischer Verschiebungsansatz Modell Versuch
Interpolationsverfahren 1) Zweidimensionale Interpolation für jede Messrichtung 60 Grad 0 Grad 120 Grad 2) Überlagerung an den Schnittpunkten
Messfahrt mit Hardtop aus SMC
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
Frequenzanalyse bei Fahrt über Gleisanlage Vergleich zwischen DMS und Kohlenstofffaser Messdaten im Zeitbereich Ermitteltes Frequenzspektrum 14 12 10 nung [µm/m] Deh 8 6 4 2 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]
Verformungsverhalten beim Ablegen des Dachmoduls
Ausblick zum Einsatz von C-Fasernetzen
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
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
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
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