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Die
Erfindung betrifft Verwendungen von netzartig angeordneten, elektrisch
leitfähigen Fasern, die in ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff
integriert sind.
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Aus
der
GB 2 421 952 A ist
ein Bauteil aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff
bekannt, das elektrisch leitfähige Fasern enthält.
Die elektrisch leitfähigen Fasern können aus Kohlefasern
oder aus metallischen Fasern bestehen. Im Falle einer Beschädigung
des Bauteils ändert sich die Leitfähigkeit der
Fasern, sodass diese als Sensoren zur Detektion einer Beschädigung
des Bauteils dienen können. Das Bauteil kann zwei oder
mehr laminierte Schichten mit derartigen elektrisch leitfähigen
Fasern aufweisen, wobei die elektrisch leitfähigen Fasern
der Schichten sich netzartig kreuzen. Die elektrisch leitfähigen
Fasern können auch bestromt werden, sodass sich das Bauteil
zumindest im Bereich der elektrisch leitfähigen Fasern
erwärmt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, neue Verwendungen für ein Bauteil
aus einem Faserverbundwerkstoff zu schaffen, in das netzartig angeordnete,
elektrisch leitfähige Fasern integriert sind.
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Diese
Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen
Verwendungen gelöst.
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Alle
erfindungsgemäßen Verwendungen gehen von netzartig
angeordneten, elektrisch leitfähigen Fasern aus, die bei
der Herstellung in ein Bauteils aus einem faserverstärkten
Verbundwerkstoff integriert werden. Ein derartiger Aufbau ist bereits
in der
GB 2 421 952
A beschrieben, deren vollständiger Offenbarungsgehalt
hiermit ausdrücklich in diese Schrift mit aufgenommen wird.
Die elektrisch leitfähigen Fasern können sein
Metallfasern aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl, Carbonfasern,
Kunststofffasern, die mit elektrisch leitfähigen Materialen
gefüllt sind, oder Fasern, die mit einer leitfähigen
Schicht beschichtet sind. Diese elektrisch leitfähigen
Fasern sind an verschiedenen Stellen elektrisch kontaktierbar. Diese
Kontaktstellen können als Steck-, Schraub- oder Klemmverbindungen
lösbar oder als feste Verbindung durch Löten oder
Kleben ausgebildet sein. Die elektrisch leitfähigen Fasern
sind gegenüber der umgebenden Struktur elektrisch isoliert. Die
Isolierung kann vorzugsweise auf folgende Weise ausgeführt
werden: Die elektrisch leitfähigen Fasern sind mit einer
Isolationsschicht umgeben, oder die elektrisch leitfähigen
Fasern sind durch eine Isolationsschicht von den umgebenden Materialen
getrennt. Diese Isolationsschicht kann aus einer Glasschicht oder
einer dünnen Kunststoffschicht bestehen.
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Die
Erfindung sieht vor, dass unterschiedliche elektrische Eigenschaften
der elektrisch leitfähigen Fasern genutzt werden. Dazu
zählen der ohmsche Widerstand der Fasern, piezoresistive,
elektromagnetische und kapazitive Eigenschaften. Die Erfindung sieht
vor, dass die elektrisch leitfähigen Fasern auf oder in
dem Bauteil aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff
angeordnet sind.
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Gemäß Patentanspruch
1 dienen die netzartig angeordneten, elektrisch leitfähigen
Fasern zur Kontrolle der Fertigung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff,
wie beispielsweise aus CFK. So können sie zur Kontrolle
der Harzbenetzung bei einer Herstellung des Bauteils im Harzinjektionsverfahren
dienen. Hierzu wird ein Halbzeug in Form eines Geleges oder Gewebes
in eine Form eingelegt und eine chemisch hartbare Kunststoffmasse
eingeleitet. Die Kunststoffmasse benetzt das Halbzeug und bildet
nach dem chemischen Härtungsprozess ein festes Bauteil.
Durch die Integration der netzartig angeordneten, elektrisch leitfähigen
Fasern kann das Benetzungsverhalten kontrolliert werden, da die
elektrischen Eigenschaften der elektrisch leitfähigen Fasern
durch den Tränkungsprozess beeinflusst werden. Wenn die
elektrisch leitfähigen Fasern nicht oder nur schlecht benetzt
werden, wird der ohmsche Widerstand beeinflusst. Nur bei vollständiger
Tränkung wird ein entsprechend definierter Sollwert des Widerstands
erreicht. Zudem können die elektrisch leitfähigen
Fasern zur Überwachung der Anzahl und der Orientierung
der Lagen des Faserverbundwerkstoffs dienen. Faserverbundwerkstoffe
sind aus einzelnen Faserschichten aufgebaut, die je nach Beanspruchung
im Bauteil abgelegt werden. Im Harzinjektionsprozess kann es zu
einem Verrutschen der Einzellagen kommen. Ebenso kann es vorkommen, dass
eine Einzellage im Halbzeug nicht vorhanden oder fehlerhaft abgelegt
wurde. Die Erfindung sieht vor, dass die elektrisch leitfähigen
Fasern zur Kontrolle des Aufbaus verwendet werden. Hierzu sind die elektrisch
leitfähigen Fasern so in der Faserverbundeinzelkomponente
angeordnet, dass sich in jeder Schicht des Faserverbundes jeweils
ein Teil der elektrisch leitfähigen Fasern befindet. Zudem
sind die elektrisch leitfähigen Fasern in der jeweiligen
Schicht in Faserorientierung der Faserverbundeinzelkomponente ausgerichtet.
Nach der Herstellung des Bauteils kann über die elektrisch
leitfähigen Fasern sowohl die Anzahl der Einzellagen, als
auch die Faserorientierung der Einzellagen kontrolliert werden. Hierzu
wird ein thermografisches Verfahren verwendet, indem an die elektrisch
leitfähigen Fasern eine Spannungsquelle angeschlossen wird
und sich so die Fasern erwärmen. Da die elektrisch leitfähigen Fasern über
die einzelnen Lagen der Faserverbundstruktur im entsprechenden Legewinkel
verteilt sind, kann mit Hilfe einer Wärmebildkamera kontrolliert werden,
ob alle Lagen eingebaut wurden, und welche Orientierungen die Einzelschichten
haben.
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Gemäß Patentanspruch
2 dienen die netzartig angeordneten, elektrisch leitfähigen
Fasern zum Beschleunigen einer Verklebung des Bauteils mit einem
anderen Bauteil. Zur Herstellung einer festen Verbindung muss die
chemische Reaktion bei vielen Klebstoffen durch eine Wärmebehandlung
ausgelöst werden. Der Stand der Technik sieht vor, dass
die Struktur hierzu in einem Wärmeofen aufgeheizt wird. Die
Erfindung sieht vor, dass die integrierten elektrisch leitfähigen
Fasern als Heizelemente benutzt werden, indem an sie eine Spannungsquelle
angeschlossen wird, und über den ohmschen Widerstand eine
Wärmeentwicklung erzeugt wird. Dies hat gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Wärme direkt
am Klebstoff entsteht und so Energieverluste durch das Aufheizen
des Ofens und der Einzelwerkstoffe vermieden werden. Vorteilhafterweise kann
zusätzlich die Qualität der Verklebung über
den Wärmefluss an den Oberflächen der beiden Bauteile beispielsweise
mittels einer Wärmebildkamera gemessen werden.
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Gemäß Patentanspruch
4 dienen die netzartig angeordneten, elektrisch leitfähigen
Fasern beim Verkleben des Bauteils mit einem anderen Bauteil zur Kontrolle
der Verbindungsqualität des Bauteils mit einem anderen,
metallischen Bauteil zu einem Hybridbauteil. Die elektrisch leitfähigen
Fasern sind gegenüber dem metallischen Bauteil elektrisch
isoliert. Hierdurch entsteht zwischen den elektrisch leitfähigen
Fasern und dem metallischen Bauteil ein kapazitives Element. Die
Elektroden des kapazitiven Elements sind zum einen das metallische
Bauteil und zum anderen die elektrisch leitfähigen Fasern.
Die Eigenschaften des kapazitiven Elements können zur Kontrolle
des Fügeprozesses genutzt werden. Die Klebstoffschicht
zwischen den Elektroden bestimmt das kapazitive Verhalten des Aufbaus
durch die Dielektrizität. An Stellen mit guter Anbindung
besteht eine gute Ankopplung der Elektroden. Dies kann durch ein
elektronisches Gerät zur Bestimmung der elektrischen Kapazitäten
erfasst werden.
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Gemäß Patentanspruch
5 dienen die netzartig angeordneten, elektrisch leitfähigen
Fasern zur Kontrolle thermisch induzierter Spannungen in einem Hybridbauteil.
Das Hybridbauteil besteht aus dem Bauteil und einem anderen Bauteil,
wobei die beiden Bauteile ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten
aufweisen. Die beiden Bauteile werden durch ein geeignetes Fügeverfahren
fest miteinander verbunden. Treten im Fügeprozess höhere Temperaturen
auf, dehnen sich die beiden Bauteile unterschiedlich aus. Wird nach
der Fixierung der beiden Bauteile das Hybridbauteil abgekühlt,
treten im Hybridbauteil thermisch induzierte Spannungen auf, die
durch die elektrisch leitfähigen Fasern kontrolliert werden
können. Durch die thermischen Spannungen werden die elektrisch
leitfähigen Fasern verformt und es tritt eine Widerstandsänderung
ein. Die Änderung ist proportional zur Höhe der
induzierten Spannungen.
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Gemäß Patentanspruch
6 dienen die netzartig angeordneten, elektrisch leitfähigen
Fasern zur Kontrolle der Fertigungsqualität des Bauteils
durch ein dynamisches Messverfahren. Hierzu wird die Piezoresistivität
der elektrisch leitfähigen Fasern in Verbindung mit einer
geeigneten elektrischen Komponente zur Dehnungsmessung genutzt.
Durch die mechanische Verformung des Bauteils kommt es zu einer
Querschnittsänderung der elektrisch leitfähigen Fasern
und damit zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands,
die proportional zur Verformung ist. Zur Kontrolle der Fertigungsqualität
wird das Bauteil definiert eingespannt und an einer festgelegten Stelle
definiert ausgelenkt. Das Ausschwingverhalten wird über
den piezoresistiven Effekt aufgezeichnet und mit einem Referenzwert
verglichen. Analog dazu kann gemäß Patentanspruch
7 die Fertigungsqualität des Bauteils auch durch ein statisches
Messverfahren kontrolliert werden. Hierzu wird das Bauteil fest eingespannt
und mit einer festgelegten Kraft an einer definierten Stelle ausgelenkt.
Die Auslenkung am Krafteinleitungspunkt lässt Rückschlüsse
auf die Gesamtsteifigkeit des Bauteils zu. Über den piezoresistiven
Effekt kann die Verformung im Bauteil gemessen werden.
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Gemäß Patentanspruch
8 dienen die elektrisch leitfähigen Fasern zur Verbesserung
einer KTL-Lackierung des Bauteils. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit
der elektrisch leitfähigen Fasern können sie zur
Verbesserung der Prozessführung verwendet werden, um den
Stromfluss an enge Stellen besser zu steuern.
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Gemäß Patentanspruch
9 dienen die elektrisch leitfähigen Fasern zur Überprüfung
von Montagestellen. An dem Bauteil werden Krafteinleitungen eingesetzt
und Teile befestigt. Ebenso werden Durchbrüche als Durchführung
ausgeschnitten. Hierdurch werden die elektrischen Eigenschaften
der elektrisch leitfähigen Fasern beeinflusst. Die Veränderungen
können durch entsprechende Messgeräte abgegriffen
werden und so die Ausführung der Montagestellen kontrolliert
werden.
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Gemäß Patentanspruch
10 dienen die elektrisch leitfähigen Fasern zur Überprüfung
einer mechanischen Bearbeitung des Bauteils. Bei der mechanischen
Bearbeitung von Faserverbundstrukturen kann es zu Delaminationen
an den Bearbeitungsstellen kommen. Infolge schlechter Laminatqualität oder
durch die Verwendung eines stumpfen Werkzeuges treten Risse und
Delaminationen auf. Diese Risse und Delaminationen haben Rückwirkung
auf die elektrischen Eigenschaften der elektrisch leitfähigen
Fasern. In einer bevorzugten Variante führt die Delamination
zu einer Unterbrechung des elektrischen Kontaktes innerhalb einzelner
der elektrisch leitfähigen Fasern. Der elektrische Widerstand
steigt dadurch im Bereich der Bearbeitungsstelle gegen unendlich.
Die fehlerhafte Bearbeitungsstelle kann so detektiert werden.
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Gemäß Patentanspruch
11 dienen die elektrisch leitfähigen Fasern zum Messen
von Anzugsmomenten. An dem Bauteil wird eine Schraubverbindung zur
Einleitung von hohen Kräften angebracht. Das ausgebrachte
Anzugsmoment führt zu einer Verformung der elektrisch leitfähigen
Fasern, wodurch sich der elektrische Widerstand ändert.
Die Änderung ist proportional zur Höhe des aufgebrachten Drehmoments.
Durch die Messung des Widerstandes kann das Anzugsmoment kontrolliert
werden.
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Gemäß Patentanspruch
12 kommt das Bauteil an einem Kraftfahrzeug zum Einsatz. Dort können die
elektrisch leitfähigen Fasern zum Enteisen dienen. Dazu
werden alle elektrisch leitfähigen Fasern zusammengeschaltet
und an den zentralen Kontaktstellen einer Spannungsquelle angeschlossen.
Dies kann in einer bevorzugten Variante eine Brennstoffzelle sein.
Das Bauteil heizt sich auf und kann so zum Enteisen des Fahrzeugs
genutzt werden, wenn das Bauteil an der Fahrzeugaußenseite
angebracht ist. Befindet sich das Bauteil dagegen im Fahrzeuginnenraum,
kann es zur Thermierung des Innenraums genutzt werden.
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Gemäß Patentanspruch
13 dienen die elektrisch leitfähigen Fasern zur Erkennung
von Beschädigungen des Bauteils, das in einem Kraftfahrzeug zum
Einsatz kommt. Hierzu sind eine oder mehrere Wärmebildkameras
um das Bauteil angeordnet. Sind im Bauteil Schäden in Form
von Delaminationen, Abplatzen von Klebefügungen, Mikrorisse
etc, vorhaben wird die Ableitung der Wärme gegenüber
der ungeschädigten Struktur verändert. Die Wärmeentwicklung
am Bauteil kann durch die Kameras erfasst werden und die schadhaften
Stellen detektiert werden, wenn die elektrisch leitfähigen
Fasern zur Erwärmung bestromt werden.
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Gemäß Patentanspruch
14 dienen die elektrisch leitfähigen Fasern zur Erfassung
der Sitzposition der Passagiere in einem Kraftfahrzeug. Dazu ist das
Bauteil im vorderen Dachbereich angeordnet. Die elektrisch leitfähigen
Fasern werden an eine hochfrequente Spannungsquelle mit Auswerteeinheit angeschlossen,
wodurch im Netz ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Bei Annäherung
durch Fahrer oder Beifahrer wird das Feld beeinflusst. Dies kann
durch die Auswerteelektronik erfasst und interpretiert werden. Durch
die Anlage kann die Anzahl, Position und die Größe
der Fahrgäste ermittelt werden und zur Steuerung und Auslösung
der Sicherheitssysteme wie Rückhaltesystem genutzt werden.
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Gemäß Patentanspruch
15 und 16 dienen die elektrisch leitfähigen Fasern im Dachbereich
eines Kraftfahrzeugs als Antenne oder als Blitzableiter. Dazu ist
das Bauteil wiederum im Dachbereich angeordnet. Durch die elektrisch
leitfähigen Fasern können elektromagnetische Strahlen über
die Sende- und Empfangseinheit empfangen und gesendet werden, so
dass die elektrisch leitfähigen Fasern für GPS
und Radioempfang genutzt werden können. Bei Blitzeinschlag
kann der Strom aus dem Dachbereich in den Bodenbereich umgeleitet
werden.
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Gemäß Patentanspruch
17 dienen die elektrisch leitfähigen Fasern des Bauteils
an einem Kraftfahrzeug zur Messung der Fahrzeugbelastung. Hierzu
sind die elektrisch leitfähigen Fasern mit einem Messverstärker
und einem Datenlogger elektrisch verbunden. Bei Fahrt über
Bodenunebenheiten und bei Kurvenfahrt verwindet sich das Bauteil,
wodurch die elektrisch leitfähigen Fasern gestaucht oder
gedehnt werden. Das Signal kann über den Bordcomputer zur
Optimierung der Fahrstabilität genutzt werden. Außerdem
ist die Verformung abhängig von der Belastungshöhe
und Art während des Betriebs. Zugkräfte erzeugen
eine Dehnung, Druckkräfte eine Stauchung.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden näher
beschrieben wird. Die einzelnen Figuren zeigen in schematischer
Darstellungsweise:
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1 den
Aufbau eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, in das elektrisch
leitfähige Fasern integriert sind, und
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Personenkraftwagens, dessen Dach ähnlich
wie das Bauteil in 1 aufgebaut ist.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines Hybridbauteils, das aus zwei Einzelkomponenten
(1) und (2) besteht. Die erste Einzelkomponente
besteht aus CFK (1) und ist mit einer zweiten Einzelkomponente
(2) aus Stahl. Es wird eine Klebefügung verwendet,
wozu ein Klebstoff (3) verwendet wird. Auf der CFK Einzelkomponente
(1) sind elektrisch leitfähige Fasern (4)
netzartig angeordnet und durch eine Isolationsschicht aus GFK (5)
von den Lagen der CFK Einzelkomponente (1) elektrisch ge trennt.
Die CFK Einzelkomponente besteht aus zwei Einzellagen, die in 0° und
90° angeordnet sind. In das Halbzeug jeder Lage sind teilweise
weitere netzartig angeordnete, elektrisch leitfähige Fasern
(4a) eingearbeitet und mit den anderen elektrisch leitfähigen
Fasern (4), die ganzflächig die CFK Einzelkomponente (1)
an der Oberfläche abdecken, elektrisch verbunden. Die integrierten
netzartigen, elektrisch leitfähigen Fasern (4a)
sind zur elektrischen Isolierung mit einer Isolationsschicht umgeben.
Die CFK Einzelkomponente (1) besteht insgesamt aus drei
Ebenen mit netzartig angeordneten elektrisch leitfähigen
Fasern, die elektrisch miteinander verbunden sind. Zudem sind die
Kontaktierungspunkte (6) zum Anschließen von elektrischen
Komponenten an die Struktur zu erkennen.
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Die
CFK Einzelkomponente (1) wird mit den GFK Isolationsschichten
(5) und den elektrisch leitfähigen Fasern (4)
in einem Fertigungsschritt mittels Harzinjektion gefertigt. Im Folgenden
wird die Kontrolle der Fertigung dieses Aufbaus durch das Sensornetz
beschrieben. Zudem werden die Referenzkennwerte bestimmt, um später
die Daten für die Betriebsüberwachung der Struktur
zu generieren. Zunächst wird eine Spannungsquelle an die
CFK Struktur angeschlossen und die Wärmeentwicklung mit
einer Thermobildkamera verfolgt. Auf dem Bild der Thermobildkamera
sind bei richtiger Fertigung die drei Ebenen elektrisch leitfähiger
Fasern in der richtigen Orientierung zu erkennen. Fehlt eine der
Lagen oder ist sie durch den Harzinjektionsprozess verrutscht, ändert
sich das Thermografiebild entsprechend.
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Um
die Benetzungsqualität zwischen Harz und Halbzeug zu beurteilen,
wird nun ein Widerstandsmessgerät angeschlossen und der
elektrische Widerstand der Faserverbundstruktur bestimmt. Aus Referenzversuchen
und aus der Menge der eingebrachten, netzartigen elektrisch leitfähigen
Fasern ist ein Sollwert bekannt. Dieser Wert muss bei der Messung
erreicht werden, zudem wird der genaue Widerstandswert notiert,
da er als Referenzwert bei der Strukturüberwachung Verwendung
findet.
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Im
nächsten Fertigungsschritt wird die CFK Einzelkomponente
(1) mit der. Einzelkomponente (2) aus Stahl verklebt.
Hierzu wird Klebstoff (3) auf die elektrisch leitfähigen
Fasern (4) aufgebracht und das Stahlprofil (2)
angedrückt. Nun wird eine Spannungsquelle an die elektrisch
leitfähigen Fasern angeschlossen und diese erwärmt.
Durch die Wärmeentwicklung direkt am Klebstoff (3)
wird dieser sehr schnell warm und durch die chemische Vernetzungsreaktion
hart. Nun wird ein kapazitives Messgerät an die Struktur
angeschlossen und die Kapazität des Aufbaus vermessen.
Eine Elektrode bilden die elektrisch leitfähigen Fasern
(4) Struktur, die andere Elektrode wird durch die metallische
Einzelkomponente (2) gebildet. Aus Referenzversuchen und
aus der Größe der Klebefläche ist bekannt,
welcher Mindestwert bei einer guten Verklebung erreicht werden muss.
Dieser Wert muss bei der Messung erreicht werden, zudem wird die
Kapazität notiert, da er als Referenzwert bei der Strukturüberwachung
Verwendung findet.
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Anschließend
wird die richtige Montage des Hybridbauteils über die piezoresistiven
Eigenschaften der elektrisch leitfähigen Fasern (4)
geprüft. Hierzu wird die Struktur fest eingespannt und
mit einer definierten Kraft belastet. Mit Hilfe einer Wheatonschen
Brückenschaltung und eines Messverstärkers wird
die Widerstandsänderung durch die Verformung in den elektrisch
leitfähigen Fasern (4) gemessen. Es wird das Ausschwingverhalten
der Struktur kontrolliert. Wird eine geforderte Eigenfrequenz überschritten
erfolgte eine fachgerechte Montage. Zudem wird kontrolliert, ob
sich nach dem Ausschwingen wieder ein Nullsignal einstellt. Stellt
sich eine bleibende Änderung des Nullpunkts ein, ist von
einer fehlerhaften Struktur auszugehen. Im Folgenden wird nun beschrieben,
wie die Struktur in der Betriebsphase genutzt wird. An die ausgewählte
Hybridstruktur wird ein Rückhaltesystem in Form eines Sicherheitsgurtes eines
Kraftfahrzeugs befestigt. Zur Auszeichnung der Kräfte im
Fall eines Unfalls ist ein Datenlogger angeschlossen, der die beiden
Ebenen elektrisch leitfähiger Fasern (4, 4a),
die elektrisch gekoppelt sind, mit Strom versorgt. Die durch das
Rückhaltesystem eingeleiteten Kräfte erzeugen
eine Verformung der elektrisch leitfähigen Fasern (4, 4a)
und über den piezoresitiven Effekt eine Signaländerung.
Der Datenlogger registriert Daten ab einem gewissen Flankenanstieg.
Dadurch kann der Spitzwert der eingeleiteten Kraft ermittelt werden
und Effekte durch Temperaturänderungen, die langsam ablaufen,
gefiltert werden. Der Wert kann ausgelesen werden und zur Bewertung
der Schadenshöhe herangezogen werden. Bei Überschreiten
eines Spitzenwertes kann davon ausgegangen werden, dass die Struktur
im Bereich der Krafteinleitung Schaden genommen hat und entsprechend
repariert werden muss.
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Nach
einer längeren Betriebsphase kann die Struktur mit Hilfe
der integrierten netzartig angeordneten, elektrisch leitfähigen
Fasern kontrolliert werden. Hierzu wird ein ohmsches Messgerät
angeschlossen. Hat sich eine Veränderung gegenüber dem
Referenzwert ergeben, ist von einer geschädigten Struktur
auszugehen. Mit weiteren Verfahren wie Ultraschall, kann die Struktur
und der Schaden näher untersucht und lokalisiert werden.
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Im
Fahrzeug ist die Bauweise an drei Stellen umgesetzt, wie es in 2 dargestellt
ist. Das Fahrzeugdach wird aus einem solchen Hybridbauteil gebildet,
wobei zwei Ebenen elektrisch leitfähiger Fasern 6 und 8 verbaut
sind. Ebenso bestehen die B-Säulen jeweils aus einem solchen
Hybridbauteil, das ebenfalls zwei Ebenen elektrisch leitfähiger
Fasern 7 und 9 aufweist. Diese elektrisch leitfähigen
Fasern werden für unterschiedliche Funktionen genutzt und
für die einzelnen Einsatzfälle unterschiedlich
geschaltet. Hierzu ist Schalter (9) vorgesehen.
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In
einer ersten Stellung des Schalters dienen die elektrisch leitfähigen
Fasern zur Schadenskontrolle zum Enteisen und zum Aufheizen. Zum
Enteisen und zum Aufheizen werden alle elektrisch leitfähigen
Fasern zusammengeschaltet und an den zentralen Kontaktstellen eine
Spannungsquelle angeschlossen. Dies kann in einer bevorzugten Variante eine
Brennstoffzelle (12) sein Die Struktur heizt sich auf und
kann so zum Enteisen des Fahrzeugs und zur Thermierung des Innenraums
genutzt werden. Zur Kontrolle der Struktur hinsichtlich Bauteilschädigungen
kann sowohl ein thermografisches Verfahren als auch ein Vergleich
mit Referenzmessungen zum Einsatz kommen. Beim thermografischen
Verfahren sind eine oder mehrere Wärmebildkameras um die Struktur
angeordnet. Sind an der Struktur Schäden in Form von Delaminationen,
Abplatzen von Klebefügungen, Mikrorisse etc, vorhanden,
wird die Ableitung der Wärme gegenüber der ungeschädigten Struktur
verändert. Die Wärmeentwicklung an der Struktur
kann durch die Kameras erfasst werden und die schadhaften Stellen
detektiert werden. Beim Vergleich mit Referenzmessungen kann die
Schaltung genutzt werden, um Schäden in der Struktur durch die Änderungen
des elektrischen Widerstandes im Netz zu detektieren. Zunächst
wird ein Messgerät zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes
der elektrisch leitfähigen Fasern an den zentralen Kontakten
angeschlossen. Ergeben sich Änderungen gegenüber
dem Referenzwert muss von Schäden der Struktur ausgegangen
werden.
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Beispielsweise
sind die elektrisch leitfähigen Fasern in einer A-Säule
(17) eingebaut. Bei einem Crash wird die stromführende
Faser zerstört, wodurch die Netze im Dachbereich (6)
und (8) von der Gesamtstruktur elektrisch abgekoppelt werden.
Es kommt zu einer deutlichen Verschiebung des elektrischen Widerstands.
Die Messung zeigt, dass die A-Säule (17) durch
den Crash unzulässig stark verformt wurde und der Vorbaubereich
zur Reparatur erneuert werden muss.
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In
einer zweiten Stellung des Schalters (9) dienen die elektrisch
leitfähigen Fasern im Dachbereich zur Erfassung der Position
von Passagieren. Dazu sind die elektrisch leitfähigen Fasern
im vorderen Dachbereich angeordnet. Diese werden an eine hochfrequente
Spannungsquelle mit Auswerteeinheit (16) angeschlossen,
wodurch in den netzartig angeordneten, elektrisch leitfähigen
Fasern ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Bei Annäherung
durch Fahrer oder Beifahrer wird das Feld beeinflusst. Dies kann
durch die Auswerteelektronik erfasst und interpretiert werden. Durch
die Anlage kann die Anzahl, Position und die Größe
der Fahrgäste ermittelt werden und zur Steuerung und Auslösung
der Sicherheitssysteme wie Rückhaltesystem genutzt werden.
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In
einer dritten Stellung des Schalters (9) dienen die elektrisch
leitfähigen Fasern im Dachbereich als Antenne und als Blitzableiter.
Hierzu werden auch die quer zur Fahrzeuglängsrichtung angeordneten, elektrisch
leitfähigen Fasern mit Strom durchflossen. Es werden dann
auch die Kontakte (7b) genutzt. Durch die elektrisch leitfähigen
Fasern können elektromagnetische Strahlen über
die Sende- und Empfangseinheit (14) empfangen und gesendet
werden, so dass das Sensornetz (6) als GPS und für
den Radioempfang genutzt werden können. Bei Blitzeinschlag
kann der Strom aus dem Dachbereich in den Bodenbereich umgeleitet
werden.
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In
einer vierten Stellung des Schalters (9) dienen die elektrisch
leitfähigen Fasern zur Messung der Fahrzeugbelastung. Die
elektrisch leitfähigen Fasern (7) und (9)
in den B-Säulen können im Fahrbetrieb zur Messung
der Betriebskräfte genutzt werden. Hierzu sind die elektrisch
leitfähigen Fasern mit einem Messverstärker und
einem Datenlogger (9) elektrisch miteinander verbunden.
Bei Fahrt über eine Bodenunebenheiten und bei Kurvenfahrt
verwindet sich die Fahrzeugstruktur, wodurch die elektrisch leitfähigen
Fasern gestaucht oder gedehnt werden. Aus der Differenz der Signale
können die Beschleunigungen getrennt nach Quer- und Torsionsbeschleunigung über
den Messverstärker (9) ermittelt werden. Das Signal
kann über den Bordcomputer zur Optimierung der Fahrstabilität
genutzt werden.
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Außerdem
ist die Verformung abhängig von der Belastungshöhe
und Art während des Betriebs. Zugkräfte erzeugen
eine Dehnung, Druckkräfte eine Stauchung. Sind mehrere
elektrisch leitfähige Fasern in der Struktur angeordnet,
kommt es entsprechend der Lastverteilung in der Struktur in den
einzelnen elektrisch leitfähigen Fasern zu unterschiedlichen Verformungen.
Dadurch können Aussagen über den Betriebszustand
getroffen werden. Die Informationen können als Regelsignal
genutzt werden, um Steuer-, Antriebs- und Fahrwerkskomponenten auf
die Fahrsituation abzustimmen.
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Die
Erfindung sieht vor, dass die elektrisch leitfähigen Fasern
zur Aufzeichnung der Belastungen, die das Fahrzeug erfährt
genutzt wird. Hierzu ist ein Datenlogger an die netzartige Struktur
angeschlossen, der die Anzahl auftretender Spitzlasten registriert.
Durch die geschickte Anordnung der netzartigen Sensorstruktur kann
auch eine Lokalisierung erfolgen. In die B-Säulen ist die
Befestigung für die Sicherheitsgurte eingebaut (17).
Nach einem Crash kann durch dezentrale Kontaktierungspunkte kontrolliert
werden, ob die Belastung zu einem Schaden in der Gurtaufhängung
geführt hat. Hierzu sind Kontaktierungspunkte direkt an
der Bohrung der Gurtaufhängung vorgesehen (17a).
Zur Kontrolle werden diese Punkte, die sich hinter der Innenverkleidung des
Fahrzeugs befinden freigelegt. Es wird ein Messgerät zur
Ermittlung des ohmschen Widerstandes angeschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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