Produktintegration etablierter Sensoren in Faserverbund-Kunststoffe

Dissertation

Linda Klein

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2021
• ISBN drucken:
  9783754327692
• eBook-ISBN:
  9783755763987
• Auflage: 1
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Mechanical Engineering

Als ein neuer Ansatz zur Sensorintegration in Produkte wurde ein technologisch etablierter Crashsensor für Automobile in eine Faserverbundstruktur integriert. Der Sensor wird konventionell an die metallische Fahrzeugstruktur angeschraubt. Die Qualität der sensorintegrierten Struktur erfüllt die Anforderungen an den gängigen Einbau des Sensors beim Fahrzeug. Die Sensierung der integrierten Struktur ist unter den geforderten Betriebsbedingungen grundlegend fehlerfrei. Sie zeigt auch das crashtypische Funktionsverhalten bei einer Kollision. Als zusätzlicher Mehrwert wurde eine Methode entwickelt, die den Sensor durch seine Integration zur Zustandsdetektion der umgebenden Struktur einsetzt. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung des Sensors zum Prozess-Monitoring während der Herstellung der integrierten Struktur. Damit erfüllt der Sensor neue zusätzliche Funktionen. Der Integrationsansatz zeigt somit, dass das Sensierspektrum etablierter Sensoren durch die Produktintegration erweitert werden kann. Der Ansatz ist auf unterschiedliche Produkte im Kontext von IoT, Industrie 4.0, Smart Home oder Alltagsmanagement übertragbar.

Kapitel 1

Einleitung

Produkte werden branchenübergreifend immer funktionaler. Eine wesentliche Umsetzung der Funktionalisierung erfolgt über den Einsatz von Sensortechnologien. Eine Herausforderung dabei ist die steigende Anzahl an Sensoren bei einem Produkt, obwohl der Bauraum begrenzt ist. Außerdem werden die Sensorsysteme immer komplexer und der Logistik- und Montageaufwand steigt. Ein Lösungsansatz ist die Integration der Sensoren in das Produkt. Das Zusammenführen von Sensor und Produkt ermöglicht eine platzsparende Lösung, die die Prozesskette bei der Herstellung verkürzt.

Diese Doktorarbeit befasst sich mit einer Thematik im Umfeld der Sensorintegration in faserbasierte Kompositstrukturen. Konventionell werden dazu Sensoren, die für eine Funktion erforderlich sind, in der Regel speziell für die Integration entwickelt. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist ein alternativer Ansatz. Es wird ein technologisch etablierter Sensor zur Integration in Kompositstrukturen genutzt. Die Herstellungstechnologie und die Geometrie der integrierten Struktur müssen dazu zwar angepasst werden, jedoch ist der etablierte Sensor ohne eine Neuentwicklung einsetzbar. Der Sensor ist zum Erfüllen einer Funktion bereits kommerziell verfügbar. Die robuste Sensierfunktion ist bereits validiert, was den sensorseitigen Entwicklungsaufwand enorm reduziert. Die Funktionalisierung von Kompositstrukturen kann dadurch effizient erfolgen.

1.1 Motivation

Als ein Anwendungsbeispiel für den gewählten Ansatz erfolgt die Integration eines technologisch etablierten Automobilsensors der Crashsensierung in eine Struktur aus Faserverbundkunststoff (FVK). FVK-Strukturen sind mit dem Automobilleichtbau als ein Kompositmaterial in den Fokus gerückt. Der schichtweise Aufbau dieser Strukturen ist gut geeignet, um Komponenten zu integrieren. Die Sensorintegration kommt dem Trend entgegen, dass die Anzahl an Funktionen und Sicherheitsanforderungen beim Automobil steigt, wodurch zunehmend mehr Sensoren zum Einsatz kommen. Ein Automobil der Mittelklasse besitzt heute durchschnittlich mehr als 100 Sensoren [2]. Durch die Integration dieser technologisch etablierten Sensoren in die FVK-Struktur leitet sich folgender Nutzen ab:

• Technologisch etablierte Sensoren können bei FVK-Strukturen eingesetzt werden. Das vermeidet Probleme, die mit klassischen Montagetechnologien entstehen (siehe Abschnitt 2.3).
• Für etablierte Sensorkonzepte besteht für Fahrzeuge in Faserverbundbauweise kein Entwicklungsbedarf an neuen speziell integrierbaren Sensoren.
• Es verringert sich die Anzahl an einzelnen montierten Sensoren und die Verkabelung beim Automobil, was Gewicht und Platz spart. Der Kraftstoffverbrauch wird reduziert oder bei batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen steigt die Reichweite.
• Es können mehrere Sensierfunktionen gekoppelt werden, was nur bedingt über montierte Sensoren, Stecker und Kabelbaumsysteme umsetzbar ist. Bei den Sensorkonzepten am Fahrzeug ist eine höhere Komplexität möglich.

Für die Crashsensierung wird als ein Fokus der vorliegenden Arbeit evaluiert, ob das korrekte Funktionsverhalten auch mit dem Sensor als strukturintegrierte Komponente gegeben ist. Denn bei der Sensierung können veränderte Eigenschaften der Verbindungsstelle die Übertragung des Crashsignals von der Struktur zum Sensor beeinflussen.

Für lasttragende Fahrzeugstrukturen in Faserverbundbauweise ist Carbonfaser- verbundkunststoff (CFK) geeignet. Er hat eine geringe Dichte bei einer hohen spezifischen Steifigkeit. Durch die hohe spezifische Energieaufnahme eignet sich CFK sehr gut für energieabsorbierende Baugruppen, wie Schweller oder Crashboxen. Der Aufwand bei der Herstellung von CFK-Strukturbauteilen ist aber relativ hoch. Die Beschäftigung mit serientauglichen effizienten Fertigungstechnologien für CFK-Bauteile steht daher bereits seit längerem im Fokus [3]—[15]. Der vorliegende Ansatz kommt dem Mehraufwand bei CFK-Strukturen auf eine andere Weise entgegen. Denn als zweiter Fokus dieser Arbeit wird durch die Integration des technologisch etablierten Sensors ein Mehrwert beim FVK-Bauteil angestrebt. Der Automobilsensor soll neben der Primärfunktion der Crashsensierung die Sekundärfunktion der Zustandsdetektion seiner umgebenden Struktur erfüllen. Die Zustandsdetektion ist bei FVK-Strukturen wichtig, da insbesondere innere Schäden oft schwer erkennbar sind. Die Integration des Sensors kann somit eine zusätzliche und wesentliche Sicherheitsfunktion bei zukünftigen FVK-Fahrzeugstrukturen ermöglichen, ohne dass zusätzliche Sensoren eingesetzt werden müssen. Vor dem Hintergrund kurzer Entwicklungszeiten und einem hohen Kostendruck ist das Anwendungsbeispiel wegweisend für den Automobilleichtbau in Faserverbundbauweise.

1.2 Ziel und inhaltlicher Aufbau

Das übergeordnete erste Ziel dieser Arbeit ist der Nachweis, dass der technologisch etablierte Automobilsensor seine Primärfunktion auch als integrierter Teil der FVK- Struktur erfüllt. Außerdem soll als zweites Ziel der Einsatz des Sensors auf die Zustandsdetektion der umgebenden Struktur erweitert werden. Das Vorgehen der Arbeit untergliedert sich in folgende Teilziele:

• Der technologisch etablierte Sensor wird an die metallische Fahrzeugstruktur angeschraubt. Um ihn für die Integration in eine FVK-Struktur kompatibel zu machen, wird er aufbauend auf dem Stand der Technik angepasst.
• Zur Herstellung der sensorintegrierten Struktur wird eine Integrationstechnologie entwickelt. Der Serientransfer für eine breite Anwendung der Sensorintegration wird dabei berücksichtigt.
• Für den Nachweis der technologischen Machbarkeit des Integrationsansatzes, werden die Struktureigenschaften und die Funktionseigenschaften der sensorintegrierten Struktur analysiert.
• Die angestrebte Sekundärfunktion ist bei der eigentlichen Verwendung des Sensors nicht vorgesehen. Als Neuerung wird eine Methode erarbeitet, um den Sensor als integrierte Komponente für die Zustandsdetektion bei FVK- Strukturen einzusetzen.

Die Arbeit ist in acht Kapitel untergliedert. In Kapitel 2 wird der Stand von Wissenschaft und Technik aufgezeigt. Vor diesem Hintergrund wird in Kapitel 3 die Ausführung der Sensorintegration beschrieben. Das umfasst die Anpassung des Automobilsensors und die Entwicklung der Integrationstechnologie. Die Struktureigenschaften werden in Kapitel 4, die Funktionseigenschaften werden in Kapitel 5 analysiert. Dann wird in Kapitel 6 untersucht, ob die integrierte Struktur die Primärfunktion der Crashsensierung erfüllt. Kapitel 7 befasst sich mit der Methode zur Zustandsdetektion als Sekundärfunktion des Automobilsensors. In Kapitel 8 erfolgt eine abschließende Bewertung und es werden mögliche Anwendungsfelder für den Integrationsansatz aufgezeigt.

Kapitel 2

Stand von Wissenschaft und Technik

2.1 Verwendete Technologien

Der Ansatz der Sensorintegration basiert auf zwei Technologien, die nach dem Stand der Technik eingesetzt werden: Der technologisch etablierte Automobilsensor und ein Strukturbauteil in Faserverbundbauweise.

2.1.1 Der Automobilsensor

Typische physikalische Messgrößen beim Automobil sind die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Winkelverschiebung, die Temperatur und der Druck [16]. Dazu dienen unterschiedliche Sensortypen. Für das Anwendungsbeispiel zum Integrationsansatz dieser Arbeit wird ein Beschleunigungssensor verwendet. Er ist Teil der Crashsensierung, für die unterschiedliche Sensortypen kombiniert und am Fahrzeug angeordnet sind (Abbildung 2.1) [17], [18]. Der Beschleunigungssensor ist je nach Bauform frontal oder peripher an die Fahrzeugstruktur angeschraubt. Der Messbereich des Beschleunigungssensors ist ±120 g. Der Sensor hat einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz im Bereich von 400 Hz.

Aufbau und Messprinzip des peripheren Beschleunigungssensors

Der periphere Beschleunigungssensor (Abbildung 2.2a)) hat ein Gesamtgewicht von 10,5g und Maße von (l × b × h) 40mm × 25mm × 10mm. Das Sensorgehäuse übernimmt grundlegende Funktionen für die korrekte Sensierung. Es hat eine An- schraubbuchse und einen Orientierungszapfen zur festen, präzisen Fixierung des Sensors an die Fahrzeugstruktur. Im Gehäuse ist die Messeinheit des Sensors in Form eines Sensormoduls form- und kraftschlüssig ausgerichtet. Die präzise Ausrichtung verhindert Quereinflüsse auf das Beschleunigungssignal. Zur elektrischen Kontaktierung ist das Sensormodul über zwei Anschlussstifte verlötet und an eine Steckerschnittstelle am Sensorgehäuse angebunden. Um äußere Messeinflüsse zu vermeiden, schützt das Gehäuse das Sensormodul vor mechanischen und thermischen Lasten. Das eigentliche Sensormodul ist ein mikroelektromechanisches System (MEMS) in der Bauform eines Surface Mounted Device (SMD). Es hat ein Gewicht von 0,08g und Maße von (l × b × h) 4mm × 5mm × 1,6mm. Ein SMD ist ein oberflächenmontierbares Bauteil, das direkt auf der kupferkaschierten Oberfläche einer Platine kontaktiert werden kann. Das Sensormodul hat dazu an der Unterseite lötfähige Anschlussflächen [20]. Im Modul befindet sich eine Leiterplatte mit passiven und aktiven Elementen, wie dem Application-Specific Integrated Circuit (ASIC). Eines der aktiven Elemente ist das Sensorelement, das die Beschleunigung über ein kapazitives Sensierprinzip physikalisch misst. Der Aufbau des Sensorelements besteht aus ineinandergreifenden Kammstrukturen mit mikromechanischen Elektroden, an denen seismische Massen aufgehängt sind (Abbildung 2.2b)). Eine Beschleunigung des Fahrzeugs induziert eine Relativbewegung der seismischen Massen. Sie führt zu einer quantitativ messbaren Kapazitätsänderung zwischen dem festen und dem beweglichen Teil der Kammstruktur [16], [21]. Die elektrische Schnittstelle und das Datenprotokoll des Sensors entsprechen dem Peripheral Sensor Interface 5 (PSI5). PSI5 ist eine universelle Schnittstellenspezifikation mit Zweidrahtkontak- tierung für unterschiedliche Sensoranwendungen im Automobil [21]. Zusätzlich ist das Sensormodul über die Entwicklerschnittstelle Serial Peripheral Interface (SPI) mit einer Fünffachkontaktierung kontaktierbar.

Abbildung 2.1: Sensoranordnung zur Crashsensierung am Fahrzeug [19]

Zur Crashsensierung sind in d...

Inhaltsverzeichnis

• Vorwort
• Zusammenfassung
• Abstract
• Abkurzungen
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Einleitung
• 2 Stand von Wissenschaft und Technik
• 3 Ausführung der Sensorintegration
• 4 Analyse der Struktureigenschaften
• 5 Analyse der Funktionseigenschaften
• 6 Primärfunktion der Crashsensierung
• 7 Sekundärfunktion der Zustandsdetektion
• 8 Fazit und Ausblick
• Literaturverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• Anhang
• Impressum