DE102019111042A1

DE102019111042A1 - Strukturüberwachungssystem und Strukturüberwachungsverfahren

Info

Publication number: DE102019111042A1
Application number: DE102019111042.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hegenbart; Peter Linde
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2019-04-29
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2020-10-29

Abstract

Um das Erkennen von Defekten (14), wie Rissen (40, 42), Brüchen oder Delaminationen, in Verbundschichtbauteilen (12) zu verbessern, wird ein Strukturüberwachungssystem (10) bzw. -verfahren vorgeschlagen. Das System (10) überwacht die Faserverbundschichtstruktur (12) mittels einer Sensorschicht (18) aus elektroaktivem Polymer (24), kurz: EAP. Die unterschiedlichen Defekte (14) haben unterschiedliche charakteristische Spannungsverläufe (U) und sind daher mittels einer Auswerteeinheit (32) unterscheidbar. Zudem kann eine Steuereinheit (36) die EAP-Sensorschicht (18) als Biegeaktor (38) betreiben, um einer Verformung der Faserverbundschichtstruktur (12) entgegenzuwirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturüberwachungssystem zum Überwachen einer Faserverbundschichtstruktur. Ferner betrifft die Erfindung ein Strukturüberwachungsverfahren.
Für Verbundflugzeugzellen kommerzieller Luftfahrzeuge sind unterschiedliche Hardwaretechnologien zur Strukturüberwachung (engl. structural health monitoring, SHM) bekannt.
Einige bekannte Herausforderungen für SHM-Technologie sind die komplexen Abnutzungs- und Beschädigungsmechanismen, die in einem Verbundschichtstoff ablaufen, die großen Flächen, die abgedeckt werden sollen, und das Sicherstellen, dass alle kritischen Stellen abgedeckt sind. Zudem stellen die kontinuierliche Erfassung, die zuverlässige Signalsammlung und die bislang erforderliche Interpretation der Signale mittels Software große Herausforderungen dar.
Als Beschädigungsmechanismen innerhalb eines Verbundschichtstoffs können Risse in der Haut, Brüche (mit anderen Worten Risse, die sich durch die gesamte Faserverbundschichtstruktur erstrecken) und Schichtablösung der Lagen in der Haut vorkommen.
Eine bekannte und in den letzten Jahren vieluntersuchte Technik ist die sogenannte Akusto-Ultraschalltechnik (engl. acousto ultrasonic technology). Obwohl diese Technologie vielversprechend hinsichtlich der direkten Integration der Messhardware in der Faserverbundschichtstruktur ist, ist der Aufwand zum Einbringen der erforderlichen großen Anzahl von Kabeln, Sensoren, usw. aus praktischer Sicht zu hoch.
Ein Ultraschalltransmitter sendet Ultraschallwellen in der Faserverbundschichtstruktur. Die Wellen breiten sich von dem Transmitter radial aus und werden von einer Anzahl Sensoren erfasst.
Wenn das Verbundbauteil unbeschädigt ist, reagieren die Sensoren auf eine bekannte Weise. Sollte ein Defekt auf dem Weg von dem Transmitter zu einem der Sensoren auftreten, wie beispielsweise ein Riss, ein Bruch oder eine Schichtablösung, ist einfach erkennbar, dass sich das von dem Sensor empfangene Signal geändert hat. Sollte sich der Defekt zwischen zwei Sensoren befinden, werden beide Sensoren eine Änderung feststellen. Interpretationssoftware wurde entwickelt, die versucht den Ort des Defekts zu berechnen. Häufig werden mehrere Transmitter verwendet, um dieses Vorgehen zu vereinfachen.
Ein Vorteil dieses Systems ist, dass kaum Teile in der Faserverbundschichtstruktur integriert werden müssen. Allerdings können die große Anzahl Sensoren und auch Transmitter, die sicherstellen soll, dass alle relevanten Bereiche abgedeckt werden, kaum unkompliziert angeordnet werden.
Eine weitere Herausforderung ist die korrekte Anbringung dieser Geräte, meist per Bonding. Hierfür wurden Verfahren mit speziellen Oberflächenbehandlungen entwickelt, die sehr exakt ausgeführt werden müssen. Auch die Langzeitstabilität spielt eine Rolle. Noch eine Herausforderung ist es, die korrekte Versorgung aller Sensoren und Transmitter und die zuverlässige Signalsammlung zu bewerkstelligen. Ein selbsttestendes System ist hierfür erforderlich.
Andere Technologien wurden vorgeschlagen, die auf verschiedenen miniaturisierten Sensoren, die in der Faserverbundschichtstruktur eingebaut werden, oder optischen Fasern basieren. Alle diese bekannten Technologien fügen jedoch „Fremdobjekte“ in der Faserverbundschichtstruktur ein, was zum Einen die Fertigung erschwert und zum Anderen die Komplexität des Bauteils erhöht.
Für den Stand der Technik wird zudem auf folgende Dokumente verwiesen:

• US 2010/0 201 384 A1
• EP 3 222 514 A1
• WO 2001 / 0 039 253 A2
• US 2006/0 123 918A1
• US 8 384 398 B2
• US 2011 / 0 089 958 A1
• US 2012/0 197 482 A1
• US 2009 / 0 246 892 A1
• DE 11 2015 003 110 T5
• US 5 869 189 A
• WO 2010/0 004 324 A1
• WO 2017 / 0 141 207 A2
• US 5 305 507 A
• US 2017/0 168 021 A1
• EP 2 559 656 A1
• US 9 329 021 B1
• US 9 358 757 B2
• DE 10 2011 122 481 B4
• US 6 809 462 B2

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Verbundschichtbauteile zu verbessern, insbesondere hinsichtlich mögliche Defekte, wie Riss, Bruch oder Delamination.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schafft ein Strukturüberwachungssystem zum Überwachen einer Faserverbundschichtstruktur, wobei das Strukturüberwachungssystem eine zu überwachende Faserverbundschichtstruktur, die wenigstens eine faserverstärkte Polymerschicht und eine daran anlaminierte Sensorschicht, die ein elektroaktives Polymer enthält, aufweist, wobei die Sensorschicht ausgebildet ist, bei einer Änderung ihrer Sensorschichtdicke eine Spannungsänderung hervorzurufen, und eine Auswerteeinheit umfasst, die ausgebildet ist, eine von der Sensorschicht hervorgerufene Spannungsänderung zu erfassen und darauf basierend zu ermitteln, ob die Faserverbundschichtstruktur einen Defekt aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht zwischen zwei faserverstärkten Polymerschichten eingebettet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht als eine Deckschicht der Faserverbundschichtstruktur ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur eine Spannungsänderung in Abhängigkeit von der Biegerichtung zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur mit einer lediglich eine elastische Verformung hervorrufenden Biegelast in eine Richtung weg von der Sensorschicht eine positive Spannungsänderung zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur mit einer lediglich eine elastische Verformung hervorrufenden Biegelast in eine Richtung auf die Sensorschicht eine negative Spannungsänderung zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur mit einer den Defekt hervorrufenden Biegelast eine größere Spannungsänderung als bei elastischem Biegen zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur mit einer einen Mikroriss, Riss oder einen Bruch als den Defekt hervorrufenden Biegelast eine größere Spannungsänderung mit selbem Vorzeichen als bei elastischem Biegen in die gleiche Richtung zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur mit einer eine Delamination als den Defekt hervorrufenden Biegelast eine Spannungsänderung mit umgekehrtem Vorzeichen als bei elastischem Biegen in die gleiche Richtung zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht wenigstens zwei Elektrodenschichten und eine dazwischen angeordnete elektroaktive Polymerschicht aufweist, wobei die Elektroden mit der Auswerteeinheit elektrisch verbunden sind.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, die Art des Defekts aufgrund der Spannungsänderungen der Sensorschicht zu ermitteln.
Vorzugsweise umfasst das Strukturüberwachungssystem eine Speichereinrichtung zum Speichern der von der Sensorschicht gemessenen Spannung und/oder der von der Auswerteeinheit ermittelten Daten.
Vorzugsweise umfasst das Strukturüberwachungssystem eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, an die Sensorschicht elektrische Spannung derart anzulegen, dass die Sensorschicht als Biegeaktor fungiert, um der Verformung der Faserverbundschichtstruktur entgegenzuwirken.
Die Erfindung schafft ein Luftfahrzeug mit einem Faserverbundbauteil und einem bevorzugten Strukturüberwachungssystem zum Überwachen des Faserverbundbauteils, insbesondere der Primärstruktur und/oder der Sekundärstruktur des Luftfahrzeugs.
Die Erfindung schafft ein Strukturüberwachungsverfahren zum Überwachen einer Faserverbundschichtstruktur, insbesondere eines Luftfahrzeugs, mittels eines bevorzugten Strukturüberwachungssystems, indem die Auswerteeinheit eine durch eine Biegelast verursachte Verformung der Faserverbundschichtstruktur anhand der Folge der Spannungsänderungen der Sensorschicht ermittelt, ob und wenn ja welche Art von Defekt in der Faserverbundschichtstruktur aufgrund der Biegelast entstanden ist.
Es ist bevorzugt, dass die Steuereinheit eine elektrische Spannung an die Sensorschicht derart anlegt, dass die Sensorschicht als Biegeaktor fungiert, um der Verformung der Faserverbundschichtstruktur entgegenzuwirken.
Ausführungsbeispiele werden anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 eine Ansicht eines Verbundschichtbauteils bei Verformung;
2 eine Ansicht des Verbundschichtbauteils aus 1 bei Defektbildung;
3 eine Ansicht des Verbundschichtbauteils aus 1 bei Verformung; und
4 eine Ansicht des Verbundschichtbauteils aus 1 bei Delamination.

Es wird auf 1 bis 4 Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel eines Strukturüberwachungssystems 10 zeigen. Das Strukturüberwachungssystem 10 umfasst eine Faserverbundschichtstruktur 12, die von dem Strukturüberwachungssystem 10 auf das Auftreten eines Defekts 14 überwacht werden soll.
Die Faserverbundschichtstruktur 12 umfasst eine Mehrzahl von faserverstärkten Polymerschichten 16 und eine Sensorschicht 18. Die Sensorschicht 18 ist beispielsweise als eine untere Deckschicht 20 ausgebildet. Die Sensorschicht 18 kann alternativ auch als obere Deckschicht 22 ausgebildet sein oder zwischen zwei Polymerschichten 16 eingebettet sein.
Die Polymerschicht 16 ist auf herkömmliche Weise ausgebildet und kann beispielsweise eine glasfaserverstärkte Polymerschicht (GFRP), kohlefaserverstärkte Polymerschicht (CFRP), aramidfaserverstärkte Polymerschicht (AFRP) oder dergleichen sein.
Die Sensorschicht 18 besteht aus elektroaktivem Polymer 24. Die Sensorschicht 18 ist daher ausgebildet aufgrund einer Verformung eine Spannungsänderung ΔU in Abhängigkeit von der Verformung der Polymerschicht 16 hervorzurufen.
Die Sensorschicht 18 enthält eine anlaminierte Elektrodenschicht 26, die an die unterste Polymerschicht 16 anlaminiert ist, eine elektroaktive Polymerschicht 28, die dickenveränderlich ist, und eine freie Elektrodenschicht 30, die freiliegt. Im Fall, dass die Sensorschicht 18 eingebettet ist, ist auch die freie Elektrodenschicht 30 an der benachbarten Polymerschicht 16 anlaminiert.
Das Strukturüberwachungssystem 10 umfasst ferner eine Auswerteeinheit 32, die ausgebildet ist, die Spannungsänderung ΔU zu erfassen und auszuwerten. Die Auswerteeinheit 32 kann beispielsweise ein Computer 34 sein.
Das Strukturüberwachungssystem 10 umfasst weiter eine Steuereinheit 36, die ebenfalls durch den Computer 34 gebildet sein kann. Die Steuereinheit 36 ist ausgebildet, eine elektrische Spannung an die Sensorschicht 18 derart anzulegen, sodass die Sensorschicht 18 als Biegeaktor 38 fungiert, der eine Verformung der Faserverbundschichtstruktur 12 entgegenwirkt.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Strukturüberwachungssystems 10 näher erläutert.
Wie in 1 dargestellt verformt sich die Faserverbundschichtstruktur 12, wenn daran eine Biegelast F angelegt wird. Die Biegelast F wirkt in Richtung auf die Sensorschicht 18. Die Biegelast F ist so gewählt, dass lediglich eine elastische Verformung auftritt.
Dabei werden die oberen Polymerschichten 16 gestaucht, während die unteren Polymerschichten 16 und die Sensorschicht 18 gedehnt werden. Die Verlängerung der Sensorschicht 18 ruft eine Verkleinerung der Dicke der Sensorschicht 18 hervor, die eine elektrische Messspannung U verursacht. Der Verlauf der Messspannung U ist beispielhaft an der Auswerteeinheit 32 dargestellt.
Die Spannungsänderung ΔU der Messspannung U ist vorliegend positiv. Mit anderen Worten steigt die Messspannung U an. Die Auswerteeinheit 32 kann auf die Spannungsänderung ΔU und/oder die Messspannung U eingelernt werden, sodass die Auswerteeinheit den Spannungsverlauf aus 1 als defektfrei erkennt.
Wie in 2 dargestellt können sich in der Faserverbundschichtstruktur 12, bei zu hoher Biegelast F oder durch häufige Wiederholung der Beanspruchung, zunächst Mikrorisse 40 in den inneren Polymerschichten 16 innerhalb der Faserverbundschichtstruktur 12 bilden. Ein Mikroriss 40 ist ein Beispiel für einen Defekt 14. Bei einem Mikroriss 40 wirkt die betroffene Polymerschicht 16 nach außen hin intakt, obwohl bereits eine innere Schwächung eingetreten ist.
Aufgrund der Schwächung der von den Mikrorissen 40 betroffenen Polymerschichten 16 verformt sich die Faserverbundschichtstruktur 12 in der Nähe der Mikrorisse 40 mehr, sodass auch die Längenänderung der Sensorschicht 18 zunimmt. Somit steigt die Messspannung U aufgrund der größeren Änderungsgeschwindigkeit schneller an als bei einer intakten Faserverbundschichtstruktur 12. Mit anderen Worten ist die Spannungsänderung ΔU der Messspannung U größer als bei einer elastischen Verformung. Der Verlauf der Messspannung U ist beispielhaft an der Auswerteeinheit 32 dargestellt.
Steigt die Biegelast F weiter an, wie in 2 unten dargestellt, können sich die Mikrorisse 40 zu Rissen 42 erweitern. Ein Riss 42 ist ebenfalls ein Beispiel für den Defekt 14. Der Riss 42 zeichnet sich dadurch aus, dass die betroffene Polymerschicht 16 in zumindest einer Richtung (Dicke oder entlang einer Linie) ihren strukturellen Zusammenhalt verloren hat. Der Verlauf der Messspannung U ist beispielhaft an der Auswerteeinheit 32 dargestellt.
Es sollte beachtet werden dass der Riss 42 sich zu einem Bruch ausweiten kann. Beim Bruch ist die Faserverbundschichtstruktur 12 vollständig zerstört und hat keine strukturelle Integrität mehr.
Aufgrund der weiteren Schwächung der Faserverbundschichtstruktur 12 ist die Verformung der Sensorschicht 18 noch größer; mit anderen Worten nimmt die Größe der Spannungsänderung ΔU noch weiter zu.
Anhand des beschriebenen Verhaltens der Messspannung U kann die Auswerteeinheit 32 so eingelernt werden, dass die Auswerteeinheit 32 Mikrorisse 40 und Risse 42 unterscheiden kann.
Wie in 3 dargestellt verformt sich die Faserverbundschichtstruktur 12, wenn daran eine Biegelast F angelegt wird. Die Biegelast F wirkt in Richtung weg von der Sensorschicht 18. Die Biegelast F ist so gewählt, dass lediglich eine elastische Verformung auftritt.
Dabei werden die oberen Polymerschichten 16 gedehnt, während die unteren Polymerschichten 16 und die Sensorschicht 18 gestaucht werden. Die Verkürzung der Sensorschicht 18 ruft eine Erhöhung der Dicke der Sensorschicht 18 hervor, die eine elektrische Messspannung U verursacht. Der zeitliche Verlauf der Messspannung U ist beispielhaft an der Auswerteeinheit 32 dargestellt.
Die Spannungsänderung ΔU der Messspannung U ist negativ. Mit anderen Worten sinkt die Messspannung U ab. Die Auswerteeinheit 32 kann auf die Spannungsänderung ΔU und/oder die Messspannung U eingelernt werden, sodass die Auswerteeinheit den Spannungsverlauf aus 3 als defektfreie Biegung in die Gegenrichtung erkennt.
4 zeigt eine Delamination 44 der Sensorschicht 18 als den Defekt 14. Es könnte aber auch eine andere Schicht bzw. Polymerschicht 16 delaminiert sein. Aufgrund der Stauchung der Sensorschicht 18 löst sich die Sensorschicht 18 von der Polymerschicht 16 und wölbt sich.
Die plötzliche Änderung der Geometrie der Sensorschicht 18 verursacht eine abrupte Änderung der Messspannung U. Insbesondere kehrt sich das Vorzeichen der Spannungsänderung ΔU abrupt um. Dadurch wird die Delamination 44 durch einen Knick 46 im Verlauf der Messspannung U an der Auswerteeinheit 32 sichtbar. Somit hat auch die Delamination 44 eine von der Auswerteeinheit 32 erkennbare Signatur.
Zusätzlich kann die Steuereinheit 36 eine Spannung an die Sensorschicht 18 anlegen, damit diese als Biegeaktor 38 fungiert und der Biegelast F entgegenwirkt. Die Steuereinheit 36 veranlasst das Anlegen der Spannung insbesondere dann, wenn eine vorgegebene Grenzbiegelast überschritten worden ist. Somit kann der Bildung von Mikrorissen 40 besser entgegengewirkt werden.
Ein elektroaktives Polymer (EAP) kann beispielsweise ein Schichtverbund sein, der zwei Elektroden und eine dazwischen befindliche elastische Polymerschicht aufweist. Für die Elektroden (leitende Schicht) kann ein elektrisch leitfähiges Polymer, wie Poly(3, 4 ethylen-dioxithiophen)/polystyren sulfonat, auch bekannt als PEDOT/PSS verwendet werden.
Für das elastische Polymer kann ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer (TPU) verwendet werden, wie etwa Epurex LPT 4207 CU-T. Dieses Polymer zeigt eine Druckfestigkeit von 50 MPa und kann daher grundsätzlich als Schicht in einem Strukturverbundbauteil verwendet werden.
Ein spezieller Typ von EAP mit einem flachen Polymer und dünnen elastischen Elektroden wird als dielektrisches Polymer bezeichnet. Wenn die beiden Elektroden von einer Spannungsquelle getrennt werden, ist die Dicke des EAP in einem ausgedehnten Zustand, auch genannt „inaktiver Zustand“. Wenn die Elektroden mit einer Spannungsquelle verbunden werden, ziehen diese durch elektrostatischen Druck (Coulombkräfte) einander an, und drücken die dazwischen befindliche Polymerschicht, sodass das EAP sich in Dickenrichtung zusammenzieht. Die Stauchung kann zwischen 10% und 35% liegen und kann für andere EAP noch größer sein. Gleichzeitig findet in der Ebene eine Ausdehnung aufgrund der Poissonzahl statt.
Die Grundidee ist eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Defekten in Verbundschichten, wie etwa Risse, Brüche und Delaminationen. Dabei wird die bislang ungenutzte Eigenschaft von EAP verwendet, dass eine Längenänderung einer EAP-Schicht in einer Dickenänderung der EAP-Schicht resultiert. Dies wiederum kann eine Spannungsänderung zwischen den EAP-Elektroden verursachen.
Auf diese Weise kann ein Anbringen fremder Objekte an der Struktur vermieden werden. Ferner brauchen keine Schallwellen gesendet, empfangen und interpretiert zu werden. Die EAP-Schicht ist sehr dünn und Materialkompatibel mit typischen Verbundschichten.
Wenn die Faserverbundschichtstruktur keiner mechanischen Spannung unterworfen ist, ist die Faserverbundschichtstruktur unverformt. Dies entspricht einem bestimmten elektrischen Potential zwischen den EAP Elektroden. Das elektrische Potential ist daher zeitlich konstant.
Wenn an der Faserverbundschichtstruktur eine Biegelast angelegt wird, wird eine Biegedeformation verursacht. Dies ergibt ein Stauchen der oberen faserverstärkten Schichten und ein Dehnen der unteren faserverstärkten Schichten sowie der EAP Schicht. Somit ergibt sich eine Längenänderung der EAP Schicht verglichen mit dem nicht deformierten Zustand. Diese Längenänderung verursacht auch eine Dickenänderung der EAP Schicht, die mechanisch zwar sehr klein ist, aber als Spannungsänderung voll messbar ist. Dabei steigt die elektrische Spannung an.
Bei größerer Deformation des Verbundschichtstoffs können sich in der Faserverbundschichtstruktur erste Mikrorisse bilden. Diese sind keine offenen Risse und zeigen den Beginn des Reißens an. Eine entsprechende Längenänderung der EAP Schicht erzeugt ein weiteres Ansteigen der elektrischen Spannung.
Bei wiederholter oder gesteigerter Beanspruchung können sich schließlich offene Risse in der faserverstärkten Schicht neben der EAP Schicht bilden. Dies kennzeichnet den Beginn eines Bruchs. Ein entsprechend steilerer Anstieg der von der EAP Schicht erzeugten Spannung ist messbar. Die EAP Schicht wird hierbei noch nicht beeinträchtigt.
Wenn an der Faserverbundschichtstruktur eine Biegelast in die andere Richtung angelegt wird, wird eine Biegedeformation in der anderen Richtung verursacht. Dies ergibt ein Dehnen der oberen faserverstärkten Schichten und eine Kompression der unteren faserverstärkten Schichten sowie der EAP Schicht. Somit ergibt sich eine Längenänderung der EAP Schicht verglichen mit dem nicht deformierten Zustand. Diese Längenänderung verursacht auch eine Dickenänderung der EAP Schicht, die mechanisch zwar sehr klein ist, aber als Spannungsänderung voll messbar ist. Dabei sinkt die elektrische Spannung ab.
Bei zu großer Deformation des Verbundschichtstoffs können Schichten delaminieren, wie etwa die EAP Schicht. Hierdurch wird ebenfalls die Länge der EAP Schicht geändert. Ein ähnlicher Vorgang ergibt sich, wenn eine der faserverstärkten Schichten neben der EAP Schicht sich ablösten. Dabei folgt auf das bisherige Sinken der elektrischen Spannung eine scharfer Anstieg, der an Anzeichen für eine Delamination ist.
Die EAP Schicht ist vollkompatibel mit kohlefaserverstärkten und glasfaserverstärkten Verbundstoffen und kann in den Verbundschichtstoff mittels Streifenplatzierung oder Faserlegeköpfen integriert werden. Ferner kann die EAP Schicht in Streifen unterteilt werden, um eine Ortsauflösung zu ermöglichen.
Vorteilhaft erlaubt die Erfindung Riss-, Bruch- und Delaminationserfassung mit demselben Gerät und ohne Bonden von Geräten auf der Haut bzw. dem Bauteil. Die EAP Schicht erlaubt eine Gewichtsverringerung und ist ständig aktiv. Ferner ist die EAP Schicht kompatibel mit Verbundbauteilen.
Bezugszeichenliste

10: Strukturüberwachungssystem
12: Faserverbundschichtstruktur
14: Defekt
16: Polymerschicht
18: Sensorschicht
20: untere Deckschicht
22: obere Deckschicht
24: elektroaktives Polymer
26: anlaminierte Elektrodenschicht
28: elektroaktive Polymerschicht
30: freie Elektrodenschicht
32: Auswerteeinheit
34: Computer
36: Steuereinheit
38: Biegeaktor
40: Mikroriss
42: Riss
44: Delamination
46: Knick
F: Biegelast
U: Messspannung
ΔU: Spannungsänderung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0201384 A1 [0011]
EP 3222514 A1 [0011]
US 2006/0123918 A1 [0011]
US 8384398 B2 [0011]
US 2012/0197482 A1 [0011]
DE 112015003110 T5 [0011]
US 5869189 A [0011]
WO 2010/0004324 A1 [0011]
US 5305507 A [0011]
US 2017/0168021 A1 [0011]
EP 2559656 A1 [0011]
US 9329021 B1 [0011]
US 9358757 B2 [0011]
DE 102011122481 B4 [0011]
US 6809462 B2 [0011]

Claims

Strukturüberwachungssystem (10) zum Überwachen einer Faserverbundschichtstruktur (12), wobei das Strukturüberwachungssystem (10) eine zu überwachende Faserverbundschichtstruktur (12), die wenigstens eine faserverstärkte Polymerschicht (16) und eine daran anlaminierte Sensorschicht (18) aufweist, die ein elektroaktives Polymer (24) enthält, wobei die Sensorschicht (18) ausgebildet ist, bei einer Änderung ihrer Sensorschichtdicke eine Spannungsänderung (ΔU) hervorzurufen, und eine Auswerteeinheit (32) umfasst, die ausgebildet ist, eine von der Sensorschicht (18) hervorgerufene Spannungsänderung (ΔU) zu erfassen und darauf basierend zu ermitteln, ob die Faserverbundschichtstruktur (12) einen Defekt (14) aufweist.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (18) zwischen zwei faserverstärkten Polymerschichten (16) eingebettet ist oder dass die Sensorschicht (18) als eine Deckschicht (22) der Faserverbundschichtstruktur (12) ausgebildet ist.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (18) ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur (12) eine Spannungsänderung (ΔU) in Abhängigkeit von der Biegerichtung zu erzeugen.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (18) ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur (12) mit einer lediglich eine elastische Verformung hervorrufenden Biegelast (F) in eine Richtung weg von der Sensorschicht (18) eine positive Spannungsänderung (ΔU) zu erzeugen.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (18) ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur (12) mit einer lediglich eine elastische Verformung hervorrufenden Biegelast (F) in eine Richtung auf die Sensorschicht (18) eine negative Spannungsänderung (ΔU) zu erzeugen.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (18) ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur (12) mit einer den Defekt (14) hervorrufenden Biegelast (F) eine größere Spannungsänderung (ΔU) als bei elastischem Biegen zu erzeugen.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (18) ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur (12) mit einer einen Mikroriss (40), einen Riss (42) oder einen Bruch (43) als den Defekt (14) hervorrufenden Biegelast (F) eine größere Spannungsänderung (ΔU) mit selbem Vorzeichen als bei elastischem Biegen in die gleiche Richtung zu erzeugen.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (18) ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur (12) mit einer eine Delamination (44) als den Defekt (14) hervorrufenden Biegelast (F) eine Spannungsänderung (ΔU) mit umgekehrtem Vorzeichen als bei elastischem Biegen in die gleiche Richtung zu erzeugen.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (18) wenigstens zwei Elektrodenschichten (26, 30) und eine dazwischen angeordnete elektroaktive Polymerschicht (28) aufweist, wobei die Elektrodenschichten (26, 30) mit der Auswerteeinheit (32) elektrisch verbunden sind.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (32) ausgebildet ist, die Art des Defekts (14) aufgrund der charakteristischen Spannungsänderungen (ΔU) der Sensorschicht (18) zu ermitteln.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung zum Speichern der von der Sensorschicht (18) gemessenen Spannung und/oder der von der Auswerteeinheit (32) ermittelten Daten.
Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (36), die ausgebildet ist, an die Sensorschicht (18) elektrische Spannung derart anzulegen, dass die Sensorschicht (18) als Biegeaktor (38) fungiert, um der Verformung der Faserverbundschichtstruktur (12) entgegenzuwirken.
Luftfahrzeug mit einem Faserverbundbauteil, das eine Faserverbundschichtstruktur (12) enthält, und einem Strukturüberwachungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Überwachen des Faserverbundbauteils, insbesondere der Primärstruktur und/oder der Sekundärstruktur des Luftfahrzeugs.
Strukturüberwachungsverfahren zum Überwachen einer Faserverbundschichtstruktur (12), insbesondere eines Luftfahrzeugs, mittels eines Strukturüberwachungssystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, indem die Auswerteeinheit (32) eine durch eine Biegelast (F) verursachte Verformung der Faserverbundschichtstruktur (12) anhand der Folge der Spannungsänderungen (ΔU) der Sensorschicht (18) ermittelt, ob und wenn ja welche Art von Defekt (14) in der Faserverbundschichtstruktur (12) aufgrund der Biegelast (F) entstanden ist.
Strukturüberwachungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (36) eine elektrische Spannung an die Sensorschicht (18) derart anlegt, dass die Sensorschicht (18) als Biegeaktor (38) fungiert, um der Verformung der Faserverbundschichtstruktur (12) entgegenzuwirken.