Messfelder aus C-Fasern
Einsatzpotential von Messfeldern aus elektrisch kontaktierten Kohlestofffasern mit hexagonaler Anordnung für Leichtbaustrukturen aus Faserverbundwerkstoffen Prof. Dr.-Ing. Prof Dr Ing Alexander Horoschenkoff, Horoschenkoff Prof. Prof Dr. Dr rer. rer nat. nat Petra Selting Fachhochschule München, Fakultät Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik Prof. Dr.-Ing. Helmut Rapp Universität der Bundeswehr München, Institut für Leichtbau
Diese Arbeit entstand im Rahmen von Projekt- und Diplomarbeiten mit Unterstützung der BMW AG in München
Prof. Dr.-Ing. Alexander Horoschenkoff
Messfelder aus C-Fasern
Inhalt • Einleitung • Charakterisierung der Piezoresistivität von Kohlestofffasern • Grundsatzuntersuchungen an ebenen Messfeldern • Messfahrt mit Hardtop aus SMC • Ausblick • Zusammenfassung f
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Messfelder aus C-Fasern Die elektrische Leitfähigkeit von C-Fasern • Nur drei der vier Außenelektronen des C-Atoms sind besetzt; die elektrische Leitfähigkeit erfolgt über die freien Außenelektronen • Spezifischer elektrischer Widerstand ist abhängig von der Graphitisierungstemperatur
Struktur der C-Faser
Das thermische Ausdehnungsverhalten von C-Fasern • Kohlenstofffasern haben ein anisotropes thermisches Ausdehnungsverhalten
α 1 = −0,4 *10 −6 1 / K
α 2 =13 * 10 1 / K −6
2 1 Prof. Dr.-Ing. Alexander Horoschenkoff
Messfelder aus C-Fasern Spezifischer elektrischer Widerstand von C-Fasern Elektischer Widerstand verschiedener C-Fasern 20
elektr. W Widerstand d (µWm)
T300 16
T800H
12
PAN (ε Bruch = 1,5%) Pitch (ε Bruch = 0,5%)
8
M50J M60J
4
0 0 PAN-Soficar PAN Soficar
200 PAN-SGL PAN SGL
400
600
Nippon Graphit Fiber
800
1000
E-Modul (GPa) Prof. Dr.-Ing. Alexander Horoschenkoff
Messfelder aus C-Fasern
Charakterisierung der Piezoresistivität
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Messfelder aus C-Fasern Definition der Piezoresistivität
R=ρ
l ; A
dR dA dl dρ =− + + ρ R A l
R - Elektrischer Widerstand A - Querschnittsfläche l - Länge g ρ - spezifischer Widerstand
dR dρ = k ε = ε (1 + 2υ ) + R ρ
dA/A
dρ/ρ dl/l
k - Dehnungsempfindlichkeit (für Dehnungsmessstreifen k = 2) ν - Querdehnzahl dρ/ρ = piezoresistiver Anteil Prof. Dr.-Ing. Alexander Horoschenkoff
Messfelder aus C-Fasern Präparation der C-Fasern • Stabilisieren der Faser • Vernickeln der Enden in einem galvanischen Prozess • Anbringen der Kontaktierungspins • Anbringen g der Krafteinleitungen g Vernickeln
Spannvorrichtung Anlöten der Pins
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Messfelder aus C-Fasern Ermittlung der Piezoresistivität (Experimentelles) Widerstandsmessung mit MGC der Firma HBM • Speisespannung 2,5 V • Halbbrückenschaltung mit Kompensations-Probe (4 Leiter) V f Verformungsmessung mitit Z Zwick i k 1476 • Prüfgeschwindigkeit 1 mm/min • Fühleraufnehmer mit lo = 100 mm C-Faser C Faser (PAN, 1000 K) • Länge 300 mm, Ro = 350 Ω • Kontaktierung an den Enden mit Pins
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Messfelder aus C-Fasern Ermittlung der Piezoresistivität (Ergebnisse)
Volta age [mV V/V]
3
Typ: Tenax HTA 5241 67 tex f 1000 S15
2,5
Dehnungsempfindlichkeit k =1,9 =1 9
2 1,5 1 0,5 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Strain [%] • Bei guter Kontaktierungsqualität und Krafteinleitung wurde eine ausgezeichnete Linearität bis zu einem Dehnungsniveau von 0,5% ermittelt • Es ergibt sich eine Querdehnzahl ν = 0,45 Prof. Dr.-Ing. Alexander Horoschenkoff
Messfelder aus C-Fasern
Aufbau von Sensornetzen
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Messfelder aus C-Fasern Entwickelte Sensornetze Rechtwinklige Anordnung der C-Faser Sensoren
Hexagonale Anordnung der C-Faser Sensoren
22 S Sensoren iin H Halbbrücke lbb ü k Ziel: Untersuchungen zum S Schadensmonitoring (Impact) ( )
Ziel: Spannungsanalyse p g y Prof. Dr.-Ing. Alexander Horoschenkoff
Messfelder aus C-Fasern Untersuchte Auswertealgorithmen für Sensornetzen mit hexagonaler g Anordnung g
(x1, y1)
Interpolationsverfahren mit Polynomen höherer Ordnung • Auswertung entsprechend dem „Mohrschen Spannungskreis“ 120o
60o 0o
(x2, y2)
u1
v1
(x3, y3) v3
Verzerrungs- und Verschiebungsansätze für Dreieckselemente entsprechend FEM • Linearer Verschiebungsansatz führt zu konstanter Dehnungsverteilung im Dreieck (3 Unbek.)
εx =
u2 x2
εy =
v3 y3
γ xy =
1 ( − x3 u 2 + x 2 u 3 ) x2 y3
• Quadratischer Ansatz mit linearer Dehnungsverteilung im Element (10 Unbekannte) ε x = a 2 + 2a 4 x + a5 y ε y = a9 + a11 x + 2a12 y γ xy = a3 + a5 x + a5 y + 2a 6 y + a8 + 2a10 x + a11 y
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Messfelder aus C-Fasern
Versuchsplatte und Messaufbau • Platte aus PMMA (1000 * 1000 mm2) • Messfeld aus 20 C-Faser • 7 DMS Rosetten • 3 CanHead Module • 3 statische Belastungsfälle • Impactsimulation
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Messfelder aus C-Fasern Vergleich der Verschiebungsansätze für die Dehnung εx • Linearer Verschiebungsansatz
• Quadratischer Verschiebungsansatz Modell
Versuch
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Messfelder aus C-Fasern Interpolationsverfahren 1) Zweidimensionale Interpolation für jede Messrichtung 60 Grad
0 Grad
120 Grad
2) Überlagerung an den Schnittpunkten
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Messfelder aus C-Fasern
Messfahrt mit Hardtop aus SMC
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Messfelder aus C-Fasern Messaufbau • 16 Fasersensoren als Halbbrücke • 8 DMS (RY und LY) • 3 Spider 8 von HBM mit PC • Messfrequenz je Kanal 400 Hz Fahrzeug: BMW Z4 (1995 cm3) mit SMC Hardtop Messfahrt im Stadtbereich
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Messfelder aus C-Fasern
Frequenzanalyse bei Fahrt über Gleisanlage Vergleich zwischen DMS und Kohlenstofffaser
Messdaten im Zeitbereich
Ermitteltes Frequenzspektrum
14
12
Dehnung [µm/m]
10
8
6
4
Faser
2
DMS 0 7
7,2
7,4
7,6
7,8
8
8,2
8,4
8,6
8,8
9
-2
Zeit [Sekunden]
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Messfelder aus C-Fasern
Verformungsverhalten beim Ablegen des Dachmoduls
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Messfelder aus C-Fasern
Ausblick zum Einsatz von C-Fasernetzen
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Messfelder aus C-Fasern
Weiterentwicklung zum multifunktionalen Element
Fertigung --- Entwicklung --- Nutzung
Zentrale Aufgabenstellungen: • Überprüfung der Fertigungsqualität • Beschleunigung B hl i d des E Entwicklungsi kl prozesses • „Health Monitoring Monitoring“ • Zusatzfunktionen für Anwender E ä Erwärmung auff 50o C b beii 5000 W / m2 Prof. Dr.-Ing. Alexander Horoschenkoff
Messfelder aus C-Fasern
Monitoring der Fertigungsqualität mit C-Fasernetzen
Ziel: Detektion von Lunkern und trockenen Stellen bei Injektionsverfahren Bisher Einsatz von Sensoren zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften Verhalten von Dipolen im elektrischen Feld
Prof. Dr.-Ing. Alexander Horoschenkoff
Messfelder aus C-Fasern
Zusammenfassung • Messfelder aus elektrisch kontaktierten C-Fasern sind grundsätzlich zur Spannungs- und Schwingungsanalyse geeignet • Bei B i guter t K Kontaktierungsqualität t kti lität und dK Krafteinleitung ft i l it kkonnte t eine i ausgezeichnete i h t Linearität bis zu einem Dehnungsniveau von 0,5% ermittelt werden • Die Dehnungsempfindlichkeit beträgt k = 1,9, die Querdehnzahl liegt bei ν = 0,45 • Durch den Einsatz von Messfeldern kann die Entwicklung von Faser Faserverbundstrukturen beschleunigt werden Für eine abschließende Bewertung des Einsatzpotentials sind ein Vielzahl weiterer Untersuchungen notwendig: • Health Monitoring • Monitoring der Fertigungsqualität • Untersuchung verschiedener elektrischer Prinzipien in Hinblick auf Multifunktionalität Prof. Dr.-Ing. Alexander Horoschenkoff
Messfelder aus C-Fasern
Danksagung
• Martin Derks und Ingeborg Garth von der BMW AG in München Diplomanden p und wissenschaftliche Mitarbeiter der FH München: • Alig Robert, Janovic Goran, Müller Tobias, Schmiedt Stefan Diplomanden und wissenschaftliche Mitarbeiter an der Uni der Bundeswehr: • Jan Sames, Jens Birkel
Prof. Dr.-Ing. Alexander Horoschenkoff