-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Erfassen von lokalen mechanischen Belastungen, die auf ein aus Faserverbundwerkstoff gebildetes Bauteil, insbesondere Fahrzeugbauteil, einwirken.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil, insbesondere Fahrzeugbauteil, aus einem Faserverbundwerkstoff.
-
Es ist bekannt, Fahrzeugbauteile, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sind, mittels einer Simulation auszulegen und in einem Versuch zu erproben. Fahrzeugbauteile aus einem Faserverbundwerkstoff und in Form von Schalenbauteilen weisen in der Regel über die gesamte Bauteilfläche dieselbe Wandstärke und denselben Lagenaufbau auf, obwohl die auf ein solches Fahrzeugbauteil betriebsbedingt einwirkenden mechanischen Belastungen erfahrungsgemäß sehr unterschiedlich sind.
-
Die Simulation von Fahrzeugbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff befindet sich noch in einem Entwicklungsstadium, insbesondere da aufgrund des recht neuen Einsatzes von Fahrzeugbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff Rückmeldungen von Nutzern entsprechend ausgestatteter Fahrzeuge und Langzeiterfahrungen fehlen. Um kein Risiko einzugehen, werden daher Fahrzeugbauteile aus einem Faserverbundwerkstoff herkömmlich in der Regel überdimensioniert, um diesen Fahrzeugbauteile n eine ausreichende Stabilität und Dauerhaftigkeit zu verleihen. Dies ist jedoch mit hohen Kosten und einer Erhöhung des Gewichts eines mit solchen Fahrzeugbauteilen ausgestatteten Fahrzeugs verbunden.
-
Bei herkömmlichen Simulationen und Erprobungen nicht erkannte Schwachstellen an Fahrzeugbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff können sich im zukünftigen Einsatz kostenintensiv zeigen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung von Bauteilen, insbesondere Fahrzeugbauteilen, aus Faserverbundwerkstoff durch Berücksichtigung von auf die Bauteile einwirkenden lokalen mechanischen Belastungen zu optimieren.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, ein System mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 und ein Bauteil mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
-
Mit Patentanspruch 1 wird ein Verfahren zum Erfassen von auf ein aus einem Faserverbundwerkstoff gebildetes Bauteil, insbesondere Fahrzeugbauteil, einwirkenden lokalen mechanischen Belastungen vorgeschlagen, wobei wenigstens ein einen faseroptischen Sensor ausbildender Lichtwellenleiter in wenigstens einem Abschnitt des Bauteils angeordnet wird, und wobei die lokalen mechanischen Belastungen mittels des Lichtwellenleiters erfasst werden.
-
Erfindungsgemäß wird wenigstens ein Lichtwellenleiter in ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff integriert und als faseroptischer Sensor verwendet. Durch auf ein solches Bauteil einwirkende lokale mechanische Belastungen kann das Bauteil plastisch oder elastisch Verformt werden. Eine solche Verformung eines Bauteils wirkt auf den in dem Bauteil angeordneten Lichtwellenleiter ein, wodurch der Lichtwellenleiter ebenfalls elastisch oder plastisch verformt wird. Diese Verformungen des Lichtwellenleiters sind über den als faseroptischen Sensor ausgebildeten Lichtwellenleiter erfassbar. Aus den erfassten Verformungen des Lichtwellenleiters kann auf die jeweilig auf das Bauteil einwirkende lokale mechanische Belastung zurückgeschlossen werden. Die Kenntnis über das Ausmaß und den Einwirkungsort von auf ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff einwirkenden lokalen mechanischen Belastungen kann bei der Auslegung von solchen Bauteilen bzw. deren Herstellung berücksichtigt werden. Hierdurch können beispielsweise stärker mechanisch belastete Abschnitte eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer größeren Wandstärke versehen werden als Abschnitte des Bauteils, welche geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Auch die Anzahl von Faserlagen und die Ausrichtung von Fasern von Faserlagen kann variiert werden, um ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff optimal an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen zu können. Es muss nicht, wie herkömmlich, dem gesamten Bauteil eine entsprechend große und einheitliche Wandstärke verliehen werden. Folglich können erfindungsgemäß bezüglich ihres Gewichts und ihrer Stabilität optimal an den jeweiligen Anwendungsfall angepasste Bauteile hergestellt werden, was sich günstig auf die damit verbundenen Herstellungskosten auswirkt und mit einer Gewichtsersparnis einhergehen kann.
-
Die erfindungsgemäße zerstörungsfreie Erfassung der auf ein als Fahrzeugbauteil ausgebildetes Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff einwirkenden lokalen mechanischen Belastungen kann als dynamische Erfassung im Fahrbetrieb eines entsprechend ausgestatteten Fahrzeugs oder auf einem Prüfstand erfolgen. Die erfassten lokalen mechanischen Belastungen können mit herkömmlich angewendeten Belastungssimulationen abgeglichen werden, um die Belastungssimulationen zu verbessern. Dies ermöglicht eine optimale Auslegung von Bauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff.
-
Der Lichtwellenleiter kann als handelsübliche Glasfaser ausgebildet sein. Der Lichtimpuls ist vorzugsweise ein Laser-Lichtimpuls. Im Rahmen der Erfindung soll unter dem Begriff „Licht” generell elektromagnetische Strahlung verstanden werden, deren Frequenz innerhalb oder auch außerhalb des Spektrums von sichtbarem Licht liegen kann.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Lichtwellenleiter derart in dem Bauteil angeordnet, dass wenigstens ein Ende des Lichtwellenleiters von außen zugänglich oder zugänglich machbar an dem Bauteil angeordnet ist, wobei über das an dem Bauteil von außen zugänglich angeordnete bzw. zugänglich gemachte Ende des Lichtwellenleiters wenigstens ein Lichtimpuls während der Einwirkung der lokalen mechanischen Belastungen auf das Bauteil in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, und wobei ein aus dem zugänglich angeordneten bzw. zugänglich gemachten Ende oder einem anderen an dem Bauteil von außen zugänglich oder zugänglich machbar angeordneten Ende des Lichtwellenleiters aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichts erfasst und ausgewertet wird.
-
Um wenigstens einen Lichtimpuls in den Lichtwellenleiter einkoppeln zu können, ist der Lichtwellenleiter derart in dem Bauteil angeordnet, dass wenigstens ein Ende des Lichtwellenleiters von außen zugänglich oder zugänglich machbar an dem fertigen Bauteil angeordnet ist. Dass dieses Ende zugänglich oder zugänglich machbar an dem fertigen Bauteil angeordnet ist, soll bedeuten, dass es körperlich und optisch zugänglich bzw. zugänglich machbar an dem fertigen Bauteil angeordnet ist. Das Ende kann derart zugänglich oder zugänglich machbar angeordnet sein, dass es mit einem optischen Adapter verbindbar ist, über den zumindest der Lichtimpuls in den Wellenleiter einkoppelbar ist.
-
Der in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Lichtimpuls wird durch eine elastische oder plastische Verformung des Lichtwellenleiters beeinflusst, beispielsweise wenigstens teilweise reflektiert. Die heraus resultierende Veränderung des Lichtimpulses wird über die Erfassung eines aus dem zugänglich angeordneten bzw. zugänglich gemachten Ende oder einem anderen an dem Bauteil von außen zugänglich oder zugänglich machbar angeordneten Ende des Lichtwellenleiters aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichts erfassbar und auswertbar. Hierdurch kann millimetergenau über die gesamte Länge des Lichtwellenleiters eine elastische oder plastische Verformung des Lichtwellenleiters bzw. des ihn umgebenden Bauteils erfasst werden.
-
Im Rahmen der Erfindung können auch beide Enden des Lichtwellenleiters zugänglich oder zugänglich machbar an dem fertigen Bauteil angeordnet sein. Das aus dem Lichtwellenleiter austretende Licht kann aus demselben Ende des Lichtwellenleiters austreten, in das der Lichtimpuls eingekoppelt worden ist, oder es kann aus dem jeweils anderen Ende des Lichtwellenleiters austreten.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Anordnung des Lichtwellenleiters in dem Bauteil dadurch, dass der Lichtwellenleiter an einer Faseranordnung des Faserverbundwerkstoffs angeordnet und anschließend der Verbund aus Faseranordnung und Lichtwellenleiter mit einem Matrixwerkstoff imprägniert wird. Der Lichtwellenleiter wird durch die Imprägnierung fest mit der Faseranordnung verbunden und folglich in das Bauteil integriert. Die Faseranordnung kann ein-, zwei- oder mehrlagig ausgeführt sein. Zudem kann die Faseranordnung als Gelege, Gewirke, Gewebe oder dergleichen ausgebildet sein. Der Matrixwerkstoff kann wenigstens einen Härter und ein Harz aufweisen. Nach erfolgter Imprägnierung kann der imprägnierte Verbund aus Faseranordnung und Lichtwellenleiter mittels eines Presswerkzeugs in eine gewünschte Form gebracht werden und in dieser Stellung aushärten.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Lichtwellenleiter vor der Imprägnierung wenigstens teilweise mittels einer Klebetechnik oder einer Textiltechnik mit der Faseranordnung verbunden oder der Lichtwellenleiter wird vor der Imprägnierung wenigstens teilweise lose auf oder in der Faseranordnung angeordnet. Der Lichtwellenleiter kann beispielsweise mit der Faseranordnung verwebt werden. Der Lichtwellenleiter kann zumindest teilweise zwischen Faserlagen der Faseranordnung angeordnet werden. Der Lichtwellenleiter kann zunächst mit einem Stützgitter verbunden werden, wonach der Verbund aus Lichtwellenleiter und Stützgitter an der Faseranordnung angeordnet werden kann. Welche Verbindungstechnik gewählt wird, hängt von den jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen ab.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Lichtwellenleiter wenigstens teilweise geradlinig oder mäanderförmig in dem Bauteil angeordnet wird. Beispielsweise kann der Lichtwellenleiter in üblicherweise besonders stark beanspruchten Bereichen des Bauteils angeordnet sein, wozu seine jeweilige Formgebung an typische Kraftlinien, die in dem Bauteil verlaufen, angepasst sein kann.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Lichtwellenleiter in einem Teilbereich des Bauteils oder sich im Wesentlichen in dem gesamten Bauteil erstreckend angeordnet. Beispielsweise kann der Lichtwellenleiter ausschließlich in solchen Abschnitten des Bauteils angeordnet werden, welche im Einsatz des Bauteils erfahrungsgemäß besonders hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
-
Mit Patentanspruch 7 wird ein System zum Erfassen von auf ein aus einem Faserverbundwerkstoff gebildetes Bauteil, insbesondere Fahrzeugbauteil, einwirkenden lokalen mechanischen Belastungen vorgeschlagen, aufweisend
- – wenigstens einen derart in dem Bauteil anordbaren, einen faseroptischen Sensor ausbildenden Lichtwellenleiter, dass wenigstens ein Ende des Lichtwellenleiters von außen zugänglich oder zugänglich machbar an dem Bauteil angeordnet ist;
- – wenigstens eine Einrichtung zum Erzeugen von Lichtimpulsen,
- – wenigstens eine Einrichtung zum Einkoppeln der Lichtimpulse in das an dem Bauteil von außen zugänglich angeordnete bzw. zugänglich gemachte Ende des Lichtwellenleiters,
- – wenigstens eine Einrichtung zum Erfassen eines aus dem zugänglich angeordneten bzw. zugänglich gemachten Ende oder einem anderen an dem Bauteil von außen zugänglich angeordneten oder zugänglich gemachten Ende des Lichtwellenleiters aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichts, und
- – wenigstens eine elektronische Auswertungseinrichtung, wobei die elektronische Auswertungseinrichtung kommunikationstechnisch zumindest mit der Einrichtung zum Erzeugen von Lichtimpulsen und der Einrichtung zum Erfassen des aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichts verbunden ist und zum Erfassen und Auswerten des Lichts eingerichtet ist.
-
Mit diesem System sind die oben mit Bezug auf das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden. Die Einrichtung zum Erzeugen von Lichtimpulsen kann zum Erzeugen von Laser-Lichtimpulsen eingerichtet sein. Die Einrichtung zum Einkoppeln von Lichtimpulsen in das an dem Bauteil von außen zugänglich angeordnete bzw. zugänglich gemachte Ende des Lichtwellenleiters kann einen optisch an das Ende des Lichtwellenleiters ankoppelbaren Adapter umfassen. Ein solcher optischer Adapter kann auch als Einrichtung zum Auskoppeln eines aus dem zugänglich angeordneten bzw. zugänglich gemachten Ende oder einem anderen an dem Bauteil von außen zugänglich angeordneten oder zugänglich gemachten Ende des Lichtwellenleiters aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichts dienen.
-
Die elektronische Auswertungseinrichtung kann zur Steuerung der Einrichtung zum Erzeugen von Lichtimpulsen dienen und kann Informationen von der Einrichtung zum Erfassen des aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichts erhalten und diese Informationen auswerten. Hierzu kann die elektronische Auswertungseinrichtung eine Rechnereinheit, beispielsweise einen Mikroprozessor, aufweisen.
-
Mit Patentanspruch 8 wird ein Bauteil, insbesondere Fahrzeugbauteil, aus einem Faserverbundwerkstoff vorgeschlagen, gekennzeichnet durch wenigstens einen in den Faserverbundwerkstoff integrierten, einen faseroptischen Sensor ausbildenden Lichtwellenleiter, wobei wenigstens ein Ende des Lichtwellenleiters von außen zugänglich oder zugänglich machbar an dem Bauteil angeordnet ist.
-
Mit diesem Bauteil ist das oben genannte Verfahren durchführbar, so dass mit dem Bauteil die oben mit Bezug auf das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden sind.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Lichtwellenleiter wenigstens teilweise geradlinig oder mäanderförmig angeordnet.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Lichtwellenleiter in einem Teilbereich des Bauteils oder sich im Wesentlichen in dem gesamten Bauteil erstreckend angeordnet.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter wenigstens teilweise auf und/oder in einer Faseranordnung des Faserverbundwerkstoffs angeordnet.
-
Ferner wird es als vorteilhaft erachtet, wenn der Lichtwellenleiter wenigstens teilweise mittels einer Textiltechnik und/oder einer Klebetechnik mit der Faseranordnung verbunden ist.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Figur. Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes System und ein erfindungsgemäßes Bauteil.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes System 1 zum Erfassen von auf ein aus einem Faserverbundwerkstoff gebildetes Bauteil 2 in Form eines Fahrzeugbauteils einwirkenden lokalen mechanischen Belastungen.
-
Das System 1 umfasst einen derart in dem Bauteil 2 angeordneten, einen faseroptischen Sensor ausbildenden Lichtwellenleiter 3, dass ein Ende 4 des Lichtwellenleiters 3 von außen zugänglich an dem Bauteil 2 angeordnet ist.
-
Das System 1 umfasst des Weiteren eine Einrichtung 5 zum Erzeugen von Lichtimpulsen und eine Einrichtung 6 zum Einkoppeln der Lichtimpulse in das an dem Bauteil 2 von außen zugänglich angeordnete Ende 4 des Lichtwellenleiters 3. Die zuletzt genannte Einrichtung 6 umfasst einen Lichtwellenleiter 7, welcher an beiden Enden jeweils einen Adapter 8 aufweist, über die der Lichtwellenleiter 6 einerseits mit dem Ende 4 des Lichtwellenleiters 3 und andererseits mit einer die Einrichtung 5 beinhaltenden Baueinheit 9 verbunden ist.
-
Des Weiteren umfasst das System 1 eine Einrichtung 10 zum Erfassen eines aus dem zugänglich angeordneten Ende 4 des Lichtwellenleiters 3 aus dem Lichtwellenleiter 3 austretenden Lichts, wozu die Einrichtung 10 über den Lichtwellenleiter 7 mit dem Ende 4 des Lichtwellenleiters 3 verbunden ist.
-
Ferner umfasst das System 1 eine elektronische Auswertungseinrichtung 11, die kommunikationstechnisch mit der Einrichtung 5 zum Erzeugen von Lichtimpulsen und der Einrichtung 10 zum Erfassen des aus dem Lichtwellenleiter 3 austretenden Lichts verbunden ist und zum Erfassen und Auswerten des Lichts eingerichtet ist.
-
Der Lichtwellenleiter 3 ist mäanderförmig und sich im Wesentlichen in dem gesamten Bauteil 2 erstreckend angeordnet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- System
- 2
- Bauteil
- 3
- Lichtwellenleiter
- 4
- Ende
- 5
- Einrichtung
- 6
- Einrichtung
- 7
- Lichtwellenleiter
- 8
- Adapter
- 9
- Baueinheit
- 10
- Einrichtung
- 11
- elektronische Auswertungseinrichtung
