SCHÖNECKER, Andreas (Am Burgwartsberg 9, Freital, 01705, DE)
SCHEITHAUER, Uwe (Kreischaer Strasse 7, Dresden, 01219, DE)
GIEBE, Andreas (Am Langen Rain 2, Freital, 01705, DE)
SCHÖNECKER, Andreas (Am Burgwartsberg 9, Freital, 01705, DE)
SCHEITHAUER, Uwe (Kreischaer Strasse 7, Dresden, 01219, DE)
| FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 118PCT 0915 Patentansprüche Aktorisches, sensorisches und/oder generatorisches Faserverbundbauteil bei dem min destens ein piezoelektrisches Element (1) von Fasern oder Garn (2) innerhalb einer Faserstruk tur oder mittels Fasern oder Garn an einer Faserstruktur fixiert und positioniert ist und. zu elektrischen Anschlusskontakten (3) des mindestens einen piezoelektrischen Elements eine flexible elektrisch leitende von außerhalb des Faserverbundbauteils kontaktierbare Verbindungen (4) an und/oder innerhalb der Faserstruktür geführt ist, und piezoelektrisches Element (1) , elektrisch leitende Verbindungen (4) und die Faserstruktur in einem Matrixwerkstoff eingebettet sind. Faserverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass das/die piezoelektrische (n) Element (e) (1) in die Faserstruktur eingewebt, darin verdrillt und/oder durch eine Näh- oder Stickverbindung daran befestigt ist/sind. Faserverbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Verbindungenen (4) in die Faserstruktur eingewebt, darin verdrillt, eingelegt und/oder durch eine Näh- oder Stickverbindung daran befestigt ist/sind. 4. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur als textiles flächiges Gebilde ausgebildet ist. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die piezoelektrische Element (e) (1) als Faser ausgebildet ist/sind. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere piezoelektrische Elemente (1) in Reihenanordnung vorhanden sind. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere faserförmige piezoelektrische Elemente (1) durch Fasern und/oder einen Werkstoff so ummantelt sind, dass die so miteinander verbundenen piezoelektrischen Elemente (1) ein entsprechend verlängertes piezoelektrisches Element bilden. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hohlfasern ausgebildete piezoelektrische Elemente (1) in einen elektrisch leitenden Matrixwerkstoff eingebettet und/oder mittels elektrisch leitender Fasern fixiert sind und eine elektrisch leitende Verbindung (4) zum und/oder durch den Hohlraum der jeweiligen Hohlfaser geführt und darin elektrisch leitend am jeweiligen piezoelektrischen Element (1) kontaktiert ist. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Verbindung (en) (4) an Anschlusskontakten mittels Fasern oder Garn der Faserstruktur positioniert und elektrisch leitend fixiert sind. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die piezoelektrische Element (e) (1) im Faserverbundbauteil in einer Ebene außerhalb der neutralen Faser angeordnet ist/sind. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine piezoelektrische Element (1) mit Fasern oder Garn mittels eines Textilherstellungsverfahrens in der Faserstruktur oder durch eine Näh- oder Stickverbindung an der Faserstruktur befestigt wird und elektrisch leitende Verbindungen (4) zu an dem/den piezoelektrischen Element (en) (1) vorhandenen elektrischen Anschlusskontakten (3) geführt werden und anschließend die so vorbereitete Faserstruktur in einen Matrixwerkstoff innerhalb eines Formwerkzeugs eingebettet und der Matrixwerkstoff ausgehärtet oder vollständig polymerisiert wird. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur mit fixiertem piezoelektrischen Element (1) und elektrisch leitenden Verbindungen (4) in ein Formwerkzeug eingesetzt und dann der Matrixwerkstoff eingespritzt oder eingegossen wird. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Laminat-Lagen als Vorprodukt hergestellt und anschließend die Laminat-Lagen durch Heißpressen miteinander stoffschlüssig verbunden werden, wobei die mindestens zwei Laminat-Lagen mit einer Faserstruktur und einem thermoplastischen Matrixwerkstoff hergestellt worden sind und dabei mindestens ei- ne Laminat-Lage eingesetzt wird, in das mindestens ein piezoelektrisches Element (1) integriert ist. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung einer Laminat-Lage als Vorprodukt eine Faserstruktur mit einem Polymer getränkt, für die Faserstruktur Hybridgarn eingesetzt und/oder ein Polymer in die Faserstruktur infiltriert wird, das nicht vollständig ausgehärtet oder polymerisiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein piezoelektrisches Element (1) in mindestens eine an der textilen Faserstruktur ausgebildete Aufnahme, in Form einer Schlaufe oder Tasche eingeführt und an/in der Faserstruktur fixiert wird und nachfolgend der Matrixwerkstoff ausgehärtet oder vollständig polymerisiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung mindestens zwei Faserstrukturen, bei denen an mindestens einer Faserstruktur mindestens ein piezoelektrisches Element fixiert ist, vor dem Aushärten oder vollständigen Polymerisieren des Matrixwerkstoffs, mit einem textilen Verfahren formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden. |
118PCT 0915
Aktorisches, sensorisches und/oder generatorisches Faserverbundbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft aktorisch, sensorisch und/oder generatorisch wirksame Faserverbundbauteile und ein Herstellungsverfahren. Faserverbundbauteile werden wegen ihrer vorteilhaften mechanischen Eigenschaften und insbesondere höheren spezifischen Festigkeiten im Leichtbau eingesetzt. Dabei wird die Festigkeit eines Matrixwerkstoffs gegenüber wirkende Zug- und Druckkräfte mit Hilfe einer darin eingebetteten Faserstruktur erhöht. Die Eigenmasse erhöht sich dabei, wenn überhaupt nur geringfügig. In der Regel ist die Gesamtmasse in Relation zur Masse des Matrixwerkstoffs sogar kleiner.
So werden GFK- oder CFK-Verbundbauteile für vielfältige Anwendungen ebenso genutzt, wie dies bei Bauteilen, bei denen Beton als Matrixwerkstoff genutzt ist, der Fall ist.
Auch bei solchen Verbundbauteilen ist es aber gewünscht, eine Zustandsüberwachung oder eine aktive Einflussnahme vornehmen zu können. Dafür bieten sich u.a. insbesondere piezoelektrische Elemente an. Mit ihnen können wirkende Kräfte, Verformungen und auch Schallwellen an einem Bauteil detektiert werden. Neben den sensorischen Eigenschaften solcher piezoelektrischen Elemente werden aber auch ihre
aktorischen Möglichkeiten genutzt bzw. deren Nutzung gewünscht.
Bisher sind piezoelektrische Elemente an Faserverbundbauteilen befestigt worden, indem sie durch Kleben stoffschlüssig daran befestigt worden sind. Eine solche Klebverbindung ist aber nur bedingt geeignet, da mit ihr eine vollständige direkte Übertragung von Kräften nicht möglich ist, da ein gewisses Maß an Elastizität des eingesetzten Klebers erforderlich ist, um ein Ablösen eines so befestigten piezoelektrischen Elements zu vermeiden. Piezoelektrische Elemente können dabei nur dort befestigt werden, wo ein Zugang möglich ist.
Eine bessere Anbindung kann dadurch erreicht werden, dass durch Abtrag von Werkstoff eine Aufnahme für ein piezoelektrisches Element an einem Faserverbundbauteil ausgebildet wird, in der es zusätzlich formschlüssig fixiert werden kann. Es liegt auf der Hand, dass dadurch eine erhebliche, die Festigkeit wesentlich beeinträchtigende Störstelle an einem Faserverbundbauteil entsteht.
In beiden erwähnten Fällen, ist es außerdem nachteilig, dass die Befestigungspositionen am Faserverbund- bauteil von außen zugänglich sein müssen oder anschließend an eine Befestigung eines piezoelektrischen Elements mindestens zwei Teile durch Fügen für die Herstellung eines Faserverbundbauteils miteinan- der verbunden werden müssen.
Es ist ein gesonderter Schutz für piezoelektrische Elemente und die zu ihnen geführten elektrisch leitenden Verbindungen gegenüber äußeren Einflüssen er- forderlich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Faserverbundbauteile mit aktorisch, generatorisch und/oder sensorischer Wirkung zur Verfügung zu stellen, die einfach und sicher herstellbar und aktorisch, generatorisch und/oder sensorisch wirksame Elemente sicher befestigt und genau positioniert sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Faser- verbundbauteil, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren nach Anspruch 11 hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen realisierbar.
Bei einem erfindungsgemäßen aktorischem,
generatorischem und/oder sensorischem Faserverbundbauteil ist mindestens ein piezoelektrisches Element von Fasern oder Garn innerhalb einer Faserstruktur oder mittels Fasern oder Garn an einer Faserstruktur fixiert und positioniert. Außerdem sind zu elektrischen Anschlusskontakten des mindestens einen piezoelektrischen Elements eine flexible elektrisch leiten- de von außerhalb des Faserverbundbauteils
kontaktierbare Verbindungen an und/oder innerhalb der Faserstruktur geführt. Das eine oder mehrere piezoelektrische Element (e) , elektrisch leitende Verbindungen und die Faserstruktur sind in einem Matrixwerkstoff eingebettet.
Als Matrixwerkstoff können die für Faserverbundbauteile üblichen Werkstoffe, wie z.B. Polymere (Harze, duro- oder thermoplastische Polymere) oder Beton eingesetzt werden. Dies kann auch ein Polymerbeton sein.
Für die Fasern können ebenfalls die üblichen Faserwerkstoffe genutzt werden. Die Faserstruktur kann dabei aus reinen Fasern oder auch weiter zu Garnen verarbeiteten Fasern mit den bekannten Textilherstel- lungsverfahren hergestellt werden.
Es kann beispielsweise als ein Gewebe, Gewirke, Geflecht, Gelege oder Gestrick eine Faserstruktur ein textiles Halbzeug ggf. in Form eines textilen flächi- gen Gebildes bilden. Fasern können dabei auch stoffschlüssig miteinander verbunden sein, was z.B. durch Kleben oder Verschweißen erreichbar ist.
Piezoelektrische (s) Element (e) können erfindungsgemäß in die Faserstruktur eingewebt, darin verdrillt, eingelegt und/oder durch eine Näh- oder Stickverbindung daran befestigt sein. Dies kann auch bei den elektrisch leitenden Verbindungen der Fall sein. Hierfür können elektrisch leitende Garne, Drähte oder Litzen aus miteinander verdrillten dünnen Drähten eingesetzt werden .
Eine Fixierung von piezoelektrischen Elementen an einer Faserstruktur ist aber auch dadurch möglich, dass mindestens ein piezoelektrisches Element in mindestens eine an der textilen Faserstruktur ausgebildete Aufnahme, in Form einer Schlaufe oder Tasche eingeführt und dadurch bereits an/in der Faserstruktur formschlüssig fixiert wird, bevor nachfolgend der Matrixwerkstoff ausgehärtet, aufgeschmolzen und wie- der konsolidiert (bei thermosplastischem Polymer) oder vollständig polymerisiert wird. Ein Matrixwerkstoff kann dabei auch nach dem Einführen piezoelektrischer Elemente infiltriert oder in ein entsprechend vorbereitetes Formwerkzeug eingespritzt werden.
Piezoelektrische Elemente sind daher mit Fasern oder Garn in die Faserstruktur integriert oder daran befestigt. Sie können bei der Herstellung der Faserstruktur gleich in diese eingearbeitet, beispielswei- se mit eingewebt werden. Gleiches trifft auch auf die elektrisch leitenden Verbindungen zu. In diesem Fall kann die Positionierung und Fixierung in einem
Schritt erreicht werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit an einer mit einem Textilherstellungsverfahren bereits hergestellten Faserstruktur, die in Form einer textilen Fläche zur Verfügung gestellt werden kann, ein oder mehrere piezoelektrische Elemente zu befestigen, was durch Aufnähen oder Aufsticken erreicht werden kann. Dabei können gleichzeitig die zu Anschlusskontakten der piezoelektrischen Elemente geführten elektrisch leitenden Verbindungen entsprechend befestigt werden. Hierfür kann ein elektrisch leitendes Stick- oder Nähgarn eingesetzt werden.
Anschlusskontakte der piezoelektrischen Elemente können durch einfache bereichsweise Entfernung einer Isolationsschicht erhalten werden. Eine elektrisch leitende Verbindung, wie ein metallischer Draht kann an oder in der Faserstruktur so befestigt werden, dass er an einem Anschlusskontakt unmittelbar anliegt und so die elektrisch leitende Verbindung erreicht werden kann. Bei der Erfindung können besonders vorteilhaft als
Fasern ausgebildete piezoelektrische Elemente eingesetzt werden. Wegen ihrer Form können sie besonders günstig mitverarbeitet werden. Mit ihnen ist aber formbedingt auch eine gute Nutzung möglich. Es können bevorzugte Wirkrichtungen sowohl bei Einsatz als
Aktor, wie auch als. Sensor berücksichtigt werden. Dabei können die mechanischen Belastungen eines Faserverbundbauteils berücksichtigt werden, bei denen sich häufig wiederholende gleiche oder ähnlich Einflüsse auftreten. Es kann auch mindestens ein Bereich eines
Faserverbundbauteils mit piezoelektrischen Elementen versehen werden, der am stärksten belastet wird, um eine Zustandsüberwachung durchführen zu können, bei der aufgetretene Defekte erkannt und/oder auf die noch zur Verfügung stehende Restlebensdauer geschlossen werden kann. Als Fasern ausgebildete piezoelektrische Elemente zeichnen sich durch ein hohes
Aspektverhältnis (Länge zu Dicke) aus. Die
Querschnittsgeometrie kann an die jeweilige Applika- tion eines Faserverbundbauteils angepasst, ausgewählt werden. Es muss also kein kreisrunder oder ovaler Querschnitt zwingend bei den Fasern eingehalten werden. Die Wahl kann querschittsunabhängig getroffen werden.
Piezoelektrische Elemente können an einem Faserverbundbauteil eine Reihenanordnung bilden. Bei piezoelektrischen 'Fasern sollten deren Längsachsen jeweils parallel zueinander ausgerichtet sein. Dadurch können größere Bereiche eines Faserverbundbauteils in gleicher Weise überwacht oder aktorisch beeinflusst wer- den. Faserförmige piezoelektrische Elemente können aber auch in einer gemeinsamen Achse mit ihren Längsachsen ausgerichtet sein, so dass eine größere Länge in dieser Achsrichtung berücksichtigt werden kann.
Mehrere faserförmige piezoelektrische Elemente können dabei zusätzlich durch Fasern und/oder einen Werkstoff so ummantelt sein, dass die so miteinander verbundenen piezoelektrischen Elemente ein entsprechend verlängertes zusammenhängendes piezoelektrisches Element bilden. Dabei können an jedem einzelnen, der so aneinander gereihten piezoelektrischen Elemente Anschlusskontakte vorhanden, bzw. freigelegt sein, so dass jedes der piezoelektrischen Elemente einzeln kontaktiert und dementsprechend einzeln nutzbar ist.
Bei entsprechender elektrischer Verschaltung können aber auch alle oder zumindest mehrere dieser piezoelektrischen Elemente gemeinsam bzw. auch in gleicher Weise zeitgleich genutzt werden. Eine ümmantelung kann durch Umwicklung mit Faden- oder Garnmaterial, eine Beschichtung oder durch Einschließen in ein schlauchförmiges Gebilde gebildet sein. Eine Ümmantelung kann über die gesamte Länge der miteinander zu verbindenden piezoelektrischen Elemente reichen. In Bereichen, in denen sich zwei piezoelektrische Elemente berühren oder überlappen, kann eine Ümmantelung verstärkt ausgebildet sein und eine größere Festigkeit aufweisen, als in dazwischen liegenden Bereichen. Innerhalb der Ümmantelung können auch elekt- risch leitende Verbindungen von einem piezoelektrischen Element zu anderen piezoelektrischen Elementen geführt sein.
An piezoelektrischen Elementen können in regel- oder unregelmäßigen Abständen Anschlusskontakte vorhanden sein, über die für eine aktorische Wirkung elektri- sehe Spannung zugeführt oder für eine sensorische bzw. generatorische Wirkung oder Elektroenergie abgeführt werden kann. Anschlusskontakte können beispielsweise durch lokal begrenzte Entfernung einer dielektrischen Beschichtung von einem piezoelektrischen Element erhalten werden. Bei faserförmigen piezoelektrischen Elementen können Anschlusskontakte ringförmig oder mit mehreren Segmenten über den Umfang ausgebildet sein. Bei nebeneinander angeordneten Anschlusskontakten kann eine Zu- oder Abführung elektrischer Spannung mit einer elektrischen Potentialdifferenz oder als elektrisch positive und negative Spannung erfolgen. Als Hohlfasern ausgebildete piezoelektrische Elemente können in einen elektrisch leitenden Matrixwerkstoff eingebettet sein. Es besteht auch die Möglichkeit eine elektrisch leitende Faserstruktur allein oder zusätzlich dazu für eine elektrische Kontaktierung ein- zusetzen. Hierfür können zumindest einzelne Fasern, z.B. Kohlefasern, der Faserstruktur elektrisch leitend oder so beschichtet sein. Dabei kann eine elektrisch leitende Verbindung zum und/oder durch den Hohlraum der Hohlfaser geführt und darin elektrisch leitend mit einem elektrischen Pol am jeweiligen piezoelektrischen Element kontaktiert sein. Die innere Mantelfläche oder ein Teil davon kann einen elektrischen Anschlusskontakt eines als Hohlfaser ausgebildeten piezoelektrischen Elements bilden. Eine elektrisch leitende Verbindung zum entsprechend anderen elektrischen Pol kann zu einem am äußeren Mantel der Hohlfaser vorhandenen Anschlusskontakt mittels einer, wie bereits erwähnten elektrisch leitenden Verbindung oder bei ausreichender elektrischer Leit- fähigkeit über den elektrisch leitenden Matrixwerkstoff hergestellt werden. Dabei kann dann eine aktorische Wirkung durch Anlegen einer elektrischen Spannung und eine daraus resultierende Ausdehnung eines piezoelektrischen Elements er- reicht werden, die wiederum zu einer Verformung des und/oder dem Einbringen mechanischer Spannungen in das Faserverbundbauteil führen. So können aber auch Schallwellen emittiert und dann mit Sensoren detek- tiert werden. Die aktorische Wirkung kann durch Ver- änderung der angelegten elektrischen Spannung beein- flusst werden. Dies kann u.a. die Frequenz und Amplitude betreffen.
Bei der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, die bei einer Verformung/Vibration mittels der piezoelektrischen Elemente erhaltene elektrische Spannung über Kontakte abzuführen und zu nutzen. Dabei kann die Elektroenergie auch in einem geeigneten und elektrisch angeschlossenen Elektroenergiespeicherele- ment gespeichert und später genutzt werden.
Bei einer am Faserverbundbauteil durch wirkende Kräfte und/oder Momente oder sich im Faserverbundbauteil ausbreitenden Schallwellen kann an einem piezoelekt- rischen Element eine proportionale elektrische Spannung generiert und über die elektrisch leitenden Verbindungen abgegriffen und gemessen werden. Ein piezoelektrisches Element bildet dabei einen Sensor oder Generator .
Für viele Anwendungen ist es günstig, piezoelektrische Elemente im Faserverbundbauteil in einer Ebene anzuordnen, die außerhalb der neutralen Faser des Faserverbundbauteils angeordnet ist. Durch die so er- reichbare Unsymmetrie in Bezug zu dieser Ebene, können durch den jeweiligen Abstand der Ebenen in der ein piezoelektrisches Element in Bezug zur neutralen Faser angeordnet ist, Verstärkungseffekte beispielsweise für eine Verformung oder Detektion ausgenutzt werden .
Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Faserverbundbauteile kann so vorgegangen werden, dass mindestens ein piezoelektrisches Element mit Fasern oder Garn mittels eines Textilherstellungsverfahrens in der Faserstruktur oder durch eine Näh- oder Stickverbindung an der Faserstruktur befestigt wird. Elektrisch leitende Verbindungen werden zu dem/den am/an piezoelektrischen Element (en) vorhandenen elektrischen Anschlusskontakten geführt und anschließend wird die so vorbereitete Faserstruktur in einen Matrixwerkstoff innerhalb eines Formwerkzeugs eingebettet und dann der Matrixwerkstoff ausgehärtet.
Für große Bauteile besteht die Möglichkeit, mehrere bereits mit einem textilen Herstellungsverfahren hergestellte Faserstrukturen, bei denen an mindestens einer Faserstruktur mindestens ein piezoelektrisches Element entsprechend fixiert ist, miteinander durch ein textiles Verfahren zu verbinden. Dies kann z.B. durch Nähen oder Sticken erfolgen. Neben der Möglichkeit die Verbindung mehrerer Faserstrukturen formschlüssig mit einem textilen Verfahren herzustellen, besteht die Möglichkeit dies auch stoffschlüssig, z.B. durch Kleben zu erreichen.
Wie bereits vorab angesprochen, kann eine Faserstruktur, an die Anforderungen des jeweiligen Faserverbundbauteils angepasst, mit den unterschiedlichen bekannten Herstellungsverfahren gefertigt werden. Dabei kann es zum Beispiel beim Weben auch möglich sein, piezoelektrische Elemente mitzuverarbeiten und in ei- nem Herstellungsschritt die Faserstruktur auszubilden und piezoelektrische Elemente durch Einweben gleichzeitig in der Faserstruktur positioniert zu fixieren. In diesem Fall können vorteilhaft als Fasern ausge- bildete piezoelektrische Elemente eingewebt werden.
Im gleichen Herstellungsschritt können auch die elektrisch leitenden Verbindungen mit eingewebt und dabei in Bezug zu Anschlusskontakten an piezoelektrischen Elementen positioniert und mittels der gewebten Faserstruktur fixiert werden, bevor die Einbettung in
Matrixwerkstoff vorgenommen wird.
Insbesondere, wenn andere als gewebte Faserstrukturen für die Herstellung von Faserverbundbauteilen einge- setzt werden sollen, bietet es sich an, piezoelektrische Elemente mit Fäden oder Garn an einer vorab hergestellten Faserstruktur zu befestigen. Es wird also einfach aufgenäht oder aufgestickt, wobei die unterschiedlichsten Stichformen für das Aufnähen oder Auf- sticken eingesetzt werden können. Dabei sollte aber möglichst eine Fixierung der piezoelektrischen Elemente in alle Richtungen erreicht werden. Vorteilhaft ist es dabei, gleichzeitig elektrisch leitende Verbindungen an gleichen Positionen mit dem jeweiligen piezoelektrischen Element aufzunähen oder aufzusticken. Dort wird quasi ein Knoten mit gekreuzten oder sich überlappenden Fasern oder Garn gebildet und elektrisch leitende Verbindungen können mit den Anschlusskontakten piezoelektrischer Elemente positio- niert und dort fixiert werden.
Eine so vorbereitete Faserstruktur mit fixiertem piezoelektrischem Element und elektrisch leitenden Verbindungen kann in ein Formwerkzeug eingesetzt und dann der Matrixwerkstoff eingespritzt oder eingegossen werden. Es können unterschiedliche Verfahren ge- nutzt werden. Neben einem einfachen Formguss, kann auch ein Druck- oder Schleudergussverfahren für die Herstellung genutzt werden. Es besteht, insbesondere für Polymere als Matrixwerkstoff auch die Möglichkeit, Faserbundbauteile durch Spritzgießen herzustellen. Besonders vorteilhaft kann das RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) eingesetzt werden. Dabei kann im Formwerkzeug mit einem Unterdruck gearbeitet werden und der Matrixwerkstoff in Hohlräume der Faserstruktur infiltrieren. Zusätzlich können offene Poren, Hohlräume und
Delaminationen vermieden werden. Ein erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil kann auch so hergestellt werden, in dem mindestens zwei Laminat-Lagen bzw. textile flächige Gebilde, als Vorprodukt hergestellt und anschließend die Laminat-Lagen durch Heißpressen miteinander stoffschlüssig mitei- nander verbunden werden. Dabei können die Laminate mit einer Faserstruktur und einem nicht vollständig ausgehärteten oder thermoplastischen Polymer als Matrixwerkstoff hergestellt worden sein. Es wird mindestens eine Laminat-Lage eingesetzt, in die mindestens ein piezoelektrisches Element integriert, also mit der Faserstruktur verbunden ist. Die als Vorprodukt vorliegenden Laminat-Lagen können dann in gewünschter Form, Reihenfolge und Ausrichtung gestapelt und in einer Presse bei erhöhtem Druck und erhöhter Tempera- tur miteinander verbunden werden. Als Matrixwerkstoff können geeignete Harze, duroplastische oder thermoplastische Polymere eingesetzt werden.
Für die Herstellung eines Laminats, als Vorprodukt, kann eine Faserstruktur mit einem Polymer getränkt und/oder ein Polymer in die Faserstruktur infiltriert werden, wobei das Polymer nicht vollständig ausgehärtet oder polymerisiert wird. Besonders vorteilhaft können für die Herstellung einer textilen Faserstruktur Hybridgarne eingesetzt werden. Diese können aus Verstärkungsfasern und aus thermoplastischem Polymer gebildeten Fasern gebildet werden. Das Polymer der Hybridgarne kann dann zumindest einen Teil des Matrixwerkstoffs bilden. Eine Faserstruktur kann allein, bereichs- oder teilweise aus einem Hybridgarn hergestellt worden sein.
Ein Vorprodukt kann auch so eingesetzt werden, dass insbesondere in Bereichen in denen piezoelektrische Elemente fixiert werden sollen, Matrixwerkstoffdepots vorhanden sind. Dort ist der Faser-/Garnanteil kleiner als der Matrixwerkstoffanteil . Dadurch kann ein vollständiger Einschluss piezoelektrischer Elemente in den Matrixwerkstoff erreicht werden.
Da die piezoelektrischen Elemente, mit den bereits genannten Möglichkeiten in/an der Faserstruktur in den gewünschten Positionen und der gewünschten Ausrichtung ausreichend fixiert werden können, verändert sich deren Position auch beim Gießen oder Spritzen des Matrixwerkstoffs, wenn überhaupt nur unwesentlich, obwohl dabei doch entsprechend hohe Kräfte in Folge der Fließbewegung des entsprechend viskosen Matrixwerkstoffs wirken. Im Gegensatz zu einem Aufkleben piezoelektrischer Elemente auf eine Faserstruktur können ein Verrutschen oder Ablösen vermieden und ein sicherer dauerhafter Halt erreicht werden. Delaminationen, wie sie beim Kleben kritisch sind, treten nicht auf.
Außerdem bildet die Faserstruktur mit dem Matrixwerkstoff eine Stützstruktur, die ein Zerbrechen der in der Regel spröden piezoelektrischen Elemente während des Betriebes und der Herstellung vermeiden kann.
Mit der Erfindung können Faserverbundbauteile zur Verfügung gestellt werden, in die piezoelektrische Elemente integriert und dabei sehr genau positioniert sind. Durch den Matrixwerkstoff sind sie gegenüber Umgebungseinflüssen geschützt. Sie können im fertig hergestellten Faserverbundbauteil an von außen unzugänglichen Positionen angeordnet und dabei vollständig in Matrixwe.rkstoff eingebettet sein. Mit den elektrisch leitenden Verbindungen sind unterschiedliche elektrische Verschaltungen, z.B. in Form von Ringelektroden, Reihen- oder Parallelschaltungen bzw. einen Anschluss an Sammelelektroden oder auch eine gesonderte Ansteuerung oder ein gesonderter Abgriff von einzelnen piezoelektrischen Elementen möglich. Die bekannten Vorteile von Faserverbundstrukturelementen bleiben erhalten und können durch die Nutzung piezoelektrischer Elemente in ihren Einsatzmöglichkeiten erweitert werden.
Eine Faserstruktur noch ohne Matrixwerkstoff kann einfach und in kurzer Zeit durch Schneiden, Stanzen oder ein anderes geeignetes Trennverfahren in Form gebracht werden. Dabei können auch Durchbrechungen ausgebildet werden.
Neben einer bereits erläuterten Ummantelung kann auch eine Schutzschicht auf piezoelektrische Elemente ausgebildet werden. Dabei sollen die Anschlusskontakte jedoch zugänglich bleiben und frei gehalten werden.
Insbesondere wenn piezoelektrische Elemente in Form von Fasern eingesetzt werden, bilden diese zu vernachlässigende Störstellen im Faserverbund, die des- sen Eigenschaften vernachlässigbar negativ beeinträchtigen, was besonders auf die Festigkeit zutrifft. Erfindungsgemäße Faserverbundbauteile können aber . auch zur Gewinnung von Elektroenergie genutzt werden, da die bei Verformung mit piezoelektrischen Elementen generierte elektrische Spannung einer Nutzung zugeführt werden kann. Diese kann in einem angeschlosse- nen geeigneten Elektroenergie speichernden Element zwischengespeichert werden.
An einem erfindungsgemäßen Faserverbundbauteil können lokal voneinander getrennt einzelne oder mehrere zu Gruppen zusammengefasste piezoelektrische Elemente angeordnet sein und dabei sensitive oder aktorisch wirkende Bereiche als „Inseln" bilden.
Erfindungsgemäße Faserverbundbauteile können großflä- chig und/oder großvolumig hergestellt werden. Ihr
Einsatz kann in vielen technischen Anwendungen erfolgen. Sie können beispielsweise als Leichtbauteile für Windkraftanlagen und im Fahrzeugbau eingesetzt werden. Im Bauwesen können Betonverbundbauteile für eine Bauwerksüberwachung oder auch im Verkehrswegebau eingesetzt werden. Im letztgenannten Fall können mit solchen Verbundbauteilen beispielsweise Verkehrszählungen oder Sensorelemente für die Verkehrsregelung zur Verfügung gestellt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Form faserförmige piezoe- lektrische Elemente, die mit Kupferdrähten als elektrisch leitende Verbindungen in eine Faserstruktur integriert oder daran befestigt werden können;
Figur 2 in schematischer Form ein piezoelektrisches Element, das mit Kupferdrähten als elektrisch leitende Verbindungen kontaktierbar ist und
Figur 3 Faserverbundbauteil mit aufgesticktem piezoelektrischem Element.
In Figur 1 ist eine schematische Anordnung von faser- förmigen piezoelektrischen Elementen 1 aus PZT, die parallel zueinander angeordnet sind, gezeigt. Flexibel verformbare Kupferdrähte, als elektrisch leitende Verbindungen 4, sind ebenfalls parallel zueinander und senkrecht zu den piezoelektrischen Elementen ausgerichtet. Sie liegen an Berührungspunkten unmittelbar auf den Elektroden 3 der piezoelektrischen Elementen 1, die in Abständen zueinander angeordnet sind. Dadurch sind elektrische Anschlusskontakte 3 gebildet, über die elektrischer Strom zwischen piezoelektrischen Elementen 1 und elektrischen Verbindungen 4 fließen kann. Zwei unmittelbar nebeneinander angeordnete elektrische Verbindungen 4 sind an jeweils einen unterschiedlichen elektrischen Pol geschaltet. Dabei können elektrisch leitende Verbindungen 4 mit gleicher Polung miteinander verschaltet/verbunden sein.
Eine wie in Figur 2 gezeigte Anordnung kann so auf eine vorher gefertigte Faserstruktur (in Figur 1 gezeigt) aufgelegt und mit Fäden oder Garn, bevorzugt aus dem Faserwerkstoff der Faserstruktur, durch Nähen befestigt werden. Dabei umschlingen Fäden die piezoelektrischen Elemente 1, die elektrisch leitenden Ver- bindungen 4 und Fäden oder Maschen der Faserstruktur.
Die Nähte sollen dabei insbesondere im Bereich der Knoten, wo sich piezoelektrische Elemente 1 und elektrisch leitende Verbindungen 4 (schwarze durchgezogene Linien) berühren, eine Fixierung in alle Richtungen sichern.
Die Faserstruktur kann, in an sich bekannter Weise, ein Gewebe aus Glasfasern 2 sein. Die Fasern 2 haben bei diesem Beispiel keinen kreisrunden Querschnitt. Sie sind als flaches Band mit abgerundeten Rändern ausgebildet und liegen mit den flachen Seiten an den piezoelektrischen Elementen 1 an. Die Fasern 2 sind dabei als Rowings ausgebildet und bilden mit
Polypropylen ein Hybridgarn.
Die Faserstruktur mit daran befestigten piezoelektrischen Elementen 1 und elektrischen Verbindungen 4 kann dann in ein Formwerkzeug eingelegt und bei einer
Temperatur von 220 °C und mit einem Druck von 2 bar die Fasern 2 in Polypropylen als Matrixwerkstoff eingebettet werden. Die Temperatur wird über einen Zeitraum von 10 min gehalten und dann das Faserverbund- bauteil entformt und auf Umgebungstemperatur abgekühlt.
Die in Figur 1 gezeigte Struktur von piezoelektrischen Elementen 1 und elektrisch leitenden Verbindun- gen 4 wurde durch Weben hergestellt. Dabei kann die
Faserstruktur mit . dessen Fasern 2 gleichzeitig mit den Kupferdrähten und den piezoelektrischen Elementen 1 verwebt werden. Die piezoelektrischen Elemente 1 und die elektrisch leitenden Verbindungen 4 aus Kup- ferdraht sind dann in das Gewebe eingewebt. Parallel zu den piezoelektrischen Elementen 1 sind Verstär- kungsfasern 5 vorhanden, die als Schussfaden mit den piezoelektrischen Elementen 1 eingewebt werden können. In Figur 2 ist eine mögliche elektrische Kontaktierung von piezoelektrischen Elementen 1 mit Kupferdrähten als elektrisch leitende Verbindungen 4 vereinfacht und unter Verzicht auf die Darstellung der Faserstruktur gezeigt. Wie bereits erwähnt, sind an der Oberfläche der piezoelektrischen Elemente 1 einer elektrisch leitende Elektroden 3 vorhanden. Die Isolierschicht 6 kann an Positionen für die Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung und Kontaktierung zwischen piezoelektrischem Element 1 und den die elektrisch leitenden Verbindungen 4 bildenden Kupferdrähten entfernt werden.
Dieser Sachverhalt ist auch mit der Darstellung von Figur 3 angedeutet. Hier ist wieder ein faserförmiges piezoelektrisches Element 1 an einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils vorhanden. Mehrere Kupferdrähte, als elektrisch leitende Verbindungen 4, sind einer parallelen Reihenanordnung und in Abständen zueinander sowie senkrecht zum piezoe- lektrischen Element 1 ausgerichtet vorhanden.
Sowohl das piezoelektrische Element 1, wie auch die elektrisch leitenden Verbindungen 4 sind auf ein tex- tiles Gebilde in Form einer Faserstruktur mittels Fa- den 7 aufgestickt und daran fixiert.
Durch die Bereiche zwischen piezoelektrischem Element 1 und elektrisch leitenden Verbindungen 4 können Fasern oder ein Garn, mit dem die eigentliche Faser- struktur gebildet ist, beispielsweise Glasfasern, geführt werden. Mit diesen Fäden können die piezoelekt- rischen Elemente 1 und die Kupferdrähte als elektrisch leitende Verbindungen 4 innerhalb der Faserstruktur fixiert werden, bevor die Einbettung in e nem Matrixwerkstoff vorgenommen werden kann. Dies kann mit einem Verfahren analog, wie beim Beispiel für Figur 1 beschrieben, durchgeführt werden.
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