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

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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

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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