Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff, bei denen Funktionselemente in den Faserverbundwerkstoff integriert und elektrisch kontaktiert sind Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus einem

Faserverbundwerkstoff, bei denen Funktionselemente in den Faserverbund werkstoff integriert und elektrisch kontaktiert sind. Dabei können die unter schiedlichsten üblicherweise eingesetzten Faserarten und Harze eingesetzt werden.

Zum technischen Anwendungsgebiet gehört die Funktionalisierung von mit tels Pultrusion hergestellten profilierten Bauteilen, was z.B. mittels Leuchtmit teln oder elektronischen Bauteilen zur Detektion /als Aktorik - Temperatur messung, Feuchtigkeitsmessung, Neigungssensoren, Lautsprecher, Batterien, Displays u.a.m. möglich ist. Dabei ergeben sich zusätzlich eine Vielzahl an wei teren möglichen Anwendungen. 2

Eine konkrete Anwendung können Stringer von Flugzeugen sein, bei denen eine strukturelle Überwachung auch während des Einsatzes erforderlich ist.

Die Funktionalisierung von faserverstärkten Bauteilen wird immer häufiger gefordert. So gibt es auch verschiedene Ansätze bei Pultrusionsprofilen. Vor allem im Sinne der Integration von Aktorik/Sensorik oder anderen elektroni schen Bauteilen, z.B. Schaltern, Leuchtmitteln etc. ist Pultrusion ein geeigne ter kontinuierlicher Herstellungsprozess für Profile, die gerade oder mit einem bestimmten Krümmungsradius hergestellt werden.

Dabei werden üblicherweise trockene Fasern durch ein Harzbad gezogen und anschließend in einem beheizten Pultrusionswerkzeug ausgehärtet. Eine wei tere Variante ist es, dass die Fasern vor dem Pultrusionswerkzeug in einer Injektionsbox mit einem polymeren Harz getränkt und direkt anschließend im beheizten Werkzeug ausgehärtet werden.

Eine Herausforderung dabei ergibt sich neben der Veränderung des Faservo lumengehaltes durch das Einbringen der zusätzlichen Elemente und bei der elektrischen Kontaktierung dieser Funktionselemente. Eine elektrische Kon taktierung ist jedoch in fast allen Fällen nötig, um die Bauteile mit elektri schem Strom zu versorgen bzw. Signale weiterzuleiten, was z.B. zu einer Aus werteeinheit oder für die Ansteuerung von Funktionselementen erforderlich ist.

Bei der Verwendung der meisten üblicherweise eingesetzten Fasern ist keine zusätzliche elektrische Isolierung notwendig. Bei Carbonfasern muss eine elektrische Isolierung der Bauteile aber auch der elektrisch leitenden Verbin dungen und elektrischen Kontaktstellen und zum Teil auch gegenüber den Carbonfasern sichergestellt werden, Dies ist z.B. mit elektrisch isolierenden Schichten oder mit nichtleitenden Faserschichten aus Glasfasern möglich.

Umgesetzt werden kann die Hilfsgeometrie zur Kontaktierung kontinuierlich oder diskontinuierlich im Pultrusionsprofil. Bei der kontinuierlichen Variante liegt der Vorteil in dem gleichmäßigen Vorhandensein des elektrischen Leiters (Drahtes / Litze / Gitter / Folie). Jedoch liegt dabei eine durchgehende Stör stelle im Faserverbund vor. Bei der diskontinuierlichen Umsetzung sind gerin- 3 gere Mengen des Zusatzmateriales notwendig. Anwendungsspezifisch wird davon nur so viel, wie tatsächlich erforderlich, benötigt wird. Der Vorberei tungsaufwand ist größer. Dafür ist eine Anpassung auf die jeweilige spezifi sche Anwendungsform (z.B. in Abhängigkeit der elektrischen Stromstärke o- der der Anzahl der Anschlussdrähte) einfacher erreichbar.

Eine bekannte technische Lösung besteht darin elektrische Kontaktstellen vorzufertigen oder Drähte etc. zu nutzen und diese nachträglich aus dem Fa se rverb und Werkstoff freizulegen, so dass ein Zugang von außen an bestimm ten Positionen möglich ist. Dies kann über spanende Bearbeitung erreicht werden, was jedoch zusätzliche Schwachstellen im Profil zur Folge hat. Diese Schwachstellen stellen durch das Durchtrennen der Fasern eine Vorschädi gung dar, die besonders bei Faserverbundprofilen sehr ungünstig ist und die Festigkeit und das Biegeverhalten stark nachteilig beeinflusst.

Je nach Matrixmaterial und Ausführung der elektrischen Kontaktierung ist ihre Freilegung dadurch erschwert, dass nicht ganz klar ist, wo sich die jeweilige Position tatsächlich befindet, so dass es zur Entfernung unnötig großer Werk stoffanteile und zur Schädigung einer größeren Anzahl von Fasern kommen kann, als eigentlich nötig. Besonders bei der Serienfertigung ist der Aufwand pro Bauteil (in Abhängigkeit der Form und des Querschnittes des Pultrusions- profils) sehr hoch.

Eine zweite bekannte Möglichkeit ist es, die elektrischen Anschlussdrähte durch das komplette Profil zu verlegen und dann am Profilende elektrisch zu kontaktieren. Dies ist aber nicht für alle Anwendungen möglich. So gibt es z.B. Bauteile, bei denen die Drahtlänge möglichst kurz sein sollte, um z.B. die Sig nalübertragung nicht zu stören (z.B. Dehnungsmessstreifen). Anderseits kön nen die Profile - je nach Anwendung - sehr lang sein, wodurch auch die jewei lige elektrisch leitende Verbindung (z.B. ein Draht) entsprechend lang und demzufolge der elektrische Leitungswiderstand hoch ist. Weiterhin stellt ein Draht über die gesamte Profillänge ebenfalls eine Störstelle dar, die die me chanischen Eigenschaften negativ beeinflusst.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen Bau teile aus Faserverbundwerkstoff mit integrierten Funktionselementen herge- 4 stellt werden, bei denen eine elektrische Kontaktierung herstellbar ist, die mit geringem zusätzlichen Aufwand verbunden ist, und bei der insbesondere kei ne oder eine stark reduzierte negative Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften zu verzeichnen ist, da insbesondere auf einen größeren Materi

5 alabtrag und ein Zertrennen unnötig vieler Fasern verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüche bezeichneten

10 Merkmalen realisiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Fasern mit vorgegebener Aus richtung in Bezug zu anderen Fasern von einer Abwickeleinrichtung durch eine Einrichtung mit der die Fasern mit einem polymeren Harz getränkt werden,

15 transportiert werden. Eine Einrichtung kann ein Bad, eine Injektionsbox oder eine ähnliche Einrichtung sein, die geeignet ist die Fasern ausreichend mit dem polymeren Harz zu tränken.

In Bewegungsrichtung der getränkten Fasern wird zwischen der Einrichtung,

20 mit der die Fasern mit dem Harz getränkt werden, und einem Pultrusions- werkzeug ein Trägermaterial an dem in vorgegebenen Positionen elektrische Kontaktelemente, die mit einem verformbaren elektrisch leitenden Material gebildet und mit mindestens einem elektrisch leitenden Verbindungselement elektrisch leitend verbunden sind, befestigt sind, zwischen getränkten Fasern

25 durch das Pultrusionswerkzeug gezogen.

Dabei werden die elektrischen Kontaktelemente so verformt oder ausgerich tet, dass zumindest ein Oberflächenbereich der jeweiligen elektrischen Kon taktelemente in einem oberflächennahen Bereich oder direkt an einer nach außen weisenden Oberfläche angeordnet wird.

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Mit dem Pultrusionswerkzeug wird eine Aushärtung des Harzes durchgeführt und bei Anordnung eines Oberflächenbereichs eines elektrischen Kontaktele ments in einem oberflächennahen Bereich wird ein Freilegen des Oberflä chenbereichs durch einen Werkstoffabtrag durchgeführt, wenn dies erforder- 5 lieh ist und noch kein ausreichend großer Oberflächenbereich des jeweiligen elektrischen Kontaktelements von außen frei zugänglich ist.

Dabei sollten getränkte Fasern ausgehend von zwei unterschiedlichen Seiten in Richtung Pultrusionswerkzeug bewegt werden und das Trägermaterial mit mindestens einem elektrischen Kontaktelement und elektrischem Verbin dungselement zwischen den aus zwei Richtungen zugeführten Fasern bewegt werden, so dass sich eine Grund- und eine Decklage, die mit Fasern gebildet sind für zu fertigende Bauteile ergibt und Trägermaterial mit elektrischen Kon taktelementen und mindestens einem elektrisch leitenden Verbindungsele ment allseitig von Fasern und Harzmatrix umschlossen sind. Dabei sollten elektrische Kontaktelemente aber entweder vor dem Eintritt in das Pultrusi onswerkzeug oder vor mit dem Pultrusionswerkzeug so geformt oder ausge richtet werden, dass zumindest ein Oberflächenbereich eines elektrischen Kontaktelementes zumindest im oberflächennahen Bereich oder unmittelbar an der Oberfläche eines fertigen Bauteils angeordnet wird, so dass entweder kein oder nur ein geringer Materialabtrag zum vollständigen Freilegen dieses Oberflächenbereiches von elektrischen Kontaktelementen erforderlich wird, um einen elektrischen Anschluss von außen zu ermöglichen.

Ein elektrisches Kontaktelement sollte vorteilhaft aber teilweise in der Fa serharzmatrix eingebettet sein und lediglich ein Oberflächenbereich freilie gend oder sehr oberflächennah angeordnet werden. Dadurch erreicht man eine ausreichend große Stabilität, die auch die Verbindungssicherheit der elektrischen Verbindung von und zu einem Funktionselement dauerhaft ge währleisten kann.

Zur entsprechenden Verformung von elektrischen Kontaktelementen kann vor dem Eintritt in das Pultrusionswerkzeug ein formgebendes Element, an dem oder durch das zumindest ein Teilbereich eines elektrischen Kontaktelemen tes bewegt werden kann, angeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglich keit, am Pultrusionswerkzeug entsprechend mindestens ein solches formge bendes Element vorzusehen. Dies sollte bevorzugt bereits am Eintritt in das Pultrusionswerkzeug wirksam sein.

Das mindestens eine elektrisch leitende Verbindungselement kann zusätzlich mit mindestens einem Funktionselement in einem Abstand zu einem elektri- 6 sehen Kontaktelement elektrisch leitend verbunden sein. Dabei kann das Funktionselement gemeinsam mit dem jeweiligen elektrisch leitenden Ver bindungselement, mindestens einem elektrischen Kontaktelement und den getränkten Fasern durch das Pultrusionswerkzeug gezogen und entsprechend zueinander ausgerichtet werden, so dass auch das mindestens eine Funkti onselement in der mit den Fasern und dem Harz gebildeten Matrix an einer vorgebbaren Position angeordnet wird.

Als Funktionselement können Sensoren, Aktoren und/oder Beleuchtungsele mente und/oder als elektrisch leitende Verbindungselemente kann ein Draht oder eine Litze eingesetzt werden.

Funktionselemente, elektrische Kontaktelemente und ein elektrisch leitendes Verbindungselement sollten bevorzugt stoffschlüssig miteinander verbunden werden, was beispielsweise mit einem Löt- oder Schweißverfahren erreicht werden kann.

Ein flexibel verformbares Trägermaterial kann mit dem mindestens einem elektrischen Kontaktelement formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden worden sein, bevor diese gemeinsam durch das Pultrusionswerkzeug gezogen werden.

Das mindestens eine elektrisch leitende Verbindungselement kann vorteilhaft so ausgerichtet werden, dass es in der neutralen Faser oder der neutralen Ebene eines Bauteils angeordnet ist. Dadurch werden insbesondere die me chanischen Eigenschaften eines Bauteils, wenn überhaupt nur geringfügig nachteilig beeinflusst in Fällen in denen Funktionselemente funktionsbedingt außerhalb der neutralen Faser oder Ebene angeordnet werden müssen, wie es beispielsweise zur Bestimmung von Biegungen (Biegungssensor) oder der Auslösung von Biegebewegungen mit einem entsprechend ausgebildeten Ak tor der Fall ist, kann man ein elektrisch leitendes Verbindungselement ganz oder teilweise außerhalb der neutralen Faser oder Ebene eines entsprechen den Bauteils anordnen.

Vorteilhaft sollte man das mindestens ein Funktionselement und/oder das mindestens eine elektrische Kontaktelement an dem Trägermaterial an einer vorgegebenen Position fixieren, bevor die getränkten Fasern mit dem Träger- 7 material durch das Pultrusionswerkzeug gezogen werden. Dies kann bei spielsweise durch Nähen oder Sticken erreicht werden.

Als Trägermaterial kann ein Vlies, Gewebe, Netz, Gelege, Band, eine Folie oder Matte eingesetzt werden.

5 Vorteilhaft sollten sowohl die Fasern mit denen der Faserverbundwerkstoff hergestellt wird, wie auch das Trägermaterial mit daran an vorgegebenen Po sitionen befestigten elektrischen Kontaktelementen, kontinuierlich durch das Pultrusionswerkzeug gezogen und einzelne Bauteile nach der Aushärtung durch Trennen von einem Endlosstrang erhalten werden.

10 Es können elektrisch leitende Folien oder textile Gebilde aus elektrisch leiten den Fasern oder Drähten als elektrische Kontaktelemente eingesetzt werden.

Elektrische Kontaktelemente können vor dem Eintreten in das Pultrusions werkzeug so innerhalb der getränkten Fasern positioniert und verformt wer den, dass zumindest eine Kontaktfläche des Sensors sich in einem oberflä

15 chennahen Bereich oder an der Oberfläche des Bauteils befindet.

Auch die zu integrierenden Funktionselemente können vorzugsweise mittig im Pultrusionsprofil (möglichst in der neutralen Faser) angeordnet werden, um den Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, insbesondere bei Biegelast möglichst gering zu halten. Ausnahmen stellen hier insbesondere Sensoren

20 oder Aktoren dar, die eine Durchbiegung detektieren oder initiieren sollen, diese sollten bevorzugt außerhalb der neutralen Faser angeordnet werden. Auch Beleuchtungselemente sollten oberflächennah eingebracht werden.

Mithilfe eines elektrischen Kontaktelementes kann eine elektrisch leitfähige

25 Kontaktstelle an der Oberfläche des Profils ausgebildet werden, über die die jeweiligen Funktionselemente vergleichsweise einfach elektrisch kontaktiert werden können.

Ein elektrisches Kontaktelement kann man als eine „Kontaktfahne" auffassen.

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Ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil kann mit den nötigen elektrisch leitenden Verbindungselementen, z.B. Drähten versehen und an den Enden dieser elektrisch leitenden Verbindungselemente beispielsweise leitfähige 8

Kupferfolien / Kupfergitter / Kupferlitze als elektrische Kontaktelemente senk recht dazu mit den elektrisch leitenden Verbindungselementen elektrisch lei tend, bevorzugt stoffschlüssig, z.B. mittels Lötverbindung miteinander ver bunden sein. Ein elektrisch leitendes Verbindungselement sollte in unter schiedlichen Höhen oder in Abständen nebeneinander innerhalb des jeweili gen Bauteils angeordnet werden können, so dass kein elektrischer Kurzschluss zwischen den unterschiedlich leitenden Verbindungselementen (elektrischen Leitern) auftreten kann. Ziel ist es, die elektrischen Kontaktelemente, insbe sondere elektrisch leitfähige Folien, so im Pultrusionsprofil zu verlegen, dass sie an der Oberfläche des Profils eine elektrisch leitfähige, kontaktierbare Flä che bilden können, die von außen ohne weiteres zugänglich ist.

So können elektrisch leitende Verbindungselemente, insbesondere Drähte in Pultrusionsrichtung (X-Richtung) mitgezogen und ein elektrisch leitendes Kon taktelement so positioniert werden, dass das jeweilige elektrische Kontakte lement teilweise bis an die Oberfläche des Profils geführt ist und der bevor zugt vollständig frei liegende oder einfach freilegbare Oberflächenbereich von außen elektrisch kontaktiert werden kann.

Das so erhaltene Pultrusionsprofil ist dadurch ggf. nur minimal nachzubear beiten, um die elektrisch leitfähige Oberfläche eines elektrischen Kontaktele ments von Matrixmaterial und einzelnen Fasern freizulegen und somit eine Schädigung des Bauteils zumindest weitestgehend zu vermeiden. Die nach der Pultrusion vorliegenden Faserverläufe innerhalb des Pultrusionsprofils bleiben unbeschädigt.

Durch die Verwendung eines dünnen elektrisch leitfähigen Materials zur Aus bildung eines elektrischen Kontaktelements (z.B. Kupfer-Folie) ändert sich der Faservolumenanteil des Pultrusionsprofils an dieser Position nur sehr gering fügig. Auch der Verlauf der Fasern, mit denen der mechanisch stabile Teil des Pultrusionsprofils gebildet ist, wird nur geringfügig beeinflusst. Zur Verbesse rung der Haftung kann das elektrische Kontaktelement im Inneren des Pultru sionsprofils angeordneten Bereich perforiert oder an seiner Oberfläche mit Konturelementen ausgebildet sein, so dass noch ein zusätzlicher Formschluss innerhalb des Matrixmaterials erhalten werden kann. 9

Um das Bauteil und ein elektrisches Kontaktelement, insbesondere eines Kon taktelements , das als elektrisch leitfähige Folie oder als ein anderes flexibel verformbares Element ausgebildet ist, gezielt innerhalb des Pultrusionsprofils anzuordnen, können flexibel verformbare Trägermaterialien eingesetzt wer den, die bei der Formgebung im Pultrusionswerkzeug auch entsprechend ver formt werden können und sich der jeweils gewünschten Geometrie des fertig hergestellten Bauteils bzw. Profils anpassen können.

Eine Vorfixierung eines elektrischen Kontaktelements beispielsweise auf ei nem Trägervlies ist mittels Sticken/Aufnähen oder Kleben möglich.

Dadurch wird es auch möglich, mehrere Funktionselemente so definiert zu positionieren und fortlaufend funktionalisierte Profile herzustellen. Anderseits können wiederholend Funktionselemente im fortlaufenden Pultrusionsprofil eingebracht und definiert darin angeordnet werden, um ein mehrfach z.B. überwachtes Bauteil herzustellen.

Mit der Erfindung können folgend genannte Vorteile erreicht werden:

• Keine Aufwändige Freilegung der elektrischen Kontaktfläche - keine große Beschädigung des gesamten Profils

• Eignung für die Serienfertigung

• Bessere Reproduzierbarkeit

• Breitere Anwendungsmöglichkeiten

• Einfache elektrische Kontaktierung nach außen (z. B. über Löten / Fe derkontakt / Klemmkontakt)

• Nutzung von kontinuierlichen, funktionalisierten Halbzeugen - Ver fahrensgerechte Materialbereitstellung

Anwendungsbeispiele:

• Pultrudierter Fensterrahmen mit integrierten Sensoren zum Ver gleich Innen- und Außenbedingungen hinsichtlich Luftfeuchtigkeit und Temperatur - aktives Ansteuern zum Öffnen / Schließen des Fensters oder der Anzeige, dass dies sinnvollerweise vom Bewoh ner gemacht werden sollte. 10

• Pultrudierte Brücken(elemente) mit integrierter Dehnungsüberwa chung und Beleuchtung, über welche z.B. auch Zustände angezeigt werden können oder eine adaptive Beleuchtung realisiert werden kann (mit Photosensitiven Sensoren - ausschalten / anschalten der LEDs je nach Dunkelheit / Wetter.

Anwendungsbeispiel: Brückenelement:

Technische Fasern werden in Form von Rovings, Schläuchen und Bändern von Spulen gezogen und in einem Harzbad mit Epoxidharz getränkt. Hinzu wird ein gestickter Dehnungssensor, welcher auf einem Vlieswerkstoff als Trägermate rial aufgebracht ist, von einer Spule abgezogen und über das Harzbad geleitet. Der Sensor ist an den Kontaktstellen mit elektrisch leitfähigen Folien verse hen. Mittels Blenden werden die Fasern in ein Werkzeug eingezogen, der Sen sor im Profilquerschnitt angeordnet und die elektrisch leitfähige Folie ent sprechend ober-flächennah positioniert. In dem auf 190 °C beheizten Pultru- sionswerkzeug wird das Profil ausgehärtet und von den Greifern am Ende der Produktionsstrecke abgezogen, so dass ein kontinuierlicher Prozess möglich ist. Im Nachgang ist eine einfache Kontaktierung der Dehnungssensoren mög lich, da die elektrisch leitfähigen Folien an der Oberfläche oder in einem ober flächennahen Bereich liegen, können diese nachträglich freigelegt und kontak tiert werden. Hierdurch können die Dehnungen des Brückenelements gemes sen und hierüber eine Aussage über die Belastungen und die Auslastung ge troffen werden.