Kalt gebogenes Glas mit integriertem faseroptischen Sensornetzwerk
glassstec 2014
Präsentation eines kalt verformten Glasbogens mit integrierten faser-optischen Sensoren zur Erfassung von Spannungen in der Ausstellung ‚glass technology‘ live in Halle 11 als Teil der Messe glasstec 2014 in Düsseldorf.
Beschreibung:
Glasprodukte zur Verwendung in Gebäuden und Fahrzeugen werden aus Sicherheits- und tragkonstruktiven Gründen oft als Laminate entworfen. Die Steifigkeit und das statische Verhalten von solchen Glaslaminaten hängt hauptsächlich von den verwendeten Glasarten (nicht vorgespanntes oder gehärtetes Glas) und den Eigenschaften der Zwischenlagen z.B. PVB, EVA; PU oder Ionomere ab.
Für Glasanwendungen, die ein sanfte, flache Krümmung und hohe optische Oberflächenqualität erfordern, wird zunehmend kalt, elastisch gebogenes Glas mit Formstabilisation durch Laminieren genutzt. Abhängig von der Glasdicke, können mit vollständig gehärtetem Glas (FTG)Krümmungsradien von minimal 3 – 4 m erreicht werden.
Die Konservierung der gebogenen Form ist durch das Laminieren von mehreren kalt gebogenen Glasschichten mit schersteifen Polymer-Zwischenlagen möglich. So wird die Krümmung ohne eine Befestigung auf einer Unterkonstruktion dauerhaft erhalten. Allerdings sind Kontrolllösungen für das Kurz- und Langzeitverhalten solchen gekrümmten und ebenen Glases notwendig, da die Spannung im kaltgebogenen Glas erhalten bleibt.
Ein neuer Ansatz, der am ITKE entwickelt wurde, sieht dafür dünne, kaum sichtbare faseroptische Sensoren vor, die erstmalig zur dauerhaften Messung von Spannung und Temperatur in Glaslaminaten eingebaut wurden. Aufgeschmolzene Quarz-Wellenleiter (d=0,125 bis 0,195 mm) mit Faser-Bragg-Gitter werden aufgebracht. Diese Gitter bestehen aus einer periodischen Anpassung des durch die UV-Strahlung verursachten Brechungsfaktors der Faser. Die Belastungsmessung beruht auf der Messung charakteristischer Spektren (1500-1600 nm) des Laserlichts, das die Wellenleiter passiert und von Gitternetz reflektiert wird. Mechanische und Temperaturbelastung in der Faser erzeugt eine messbare Veränderung des reflektierten Spektrums, was dazu benutzt wird, die zugehörige Belastung zu bestimmen. In Zusammenarbeit mit Industrie- und Forschungspartnern wurde eine transparente Lastübertragungsverbindung der Sensoren durch UV-härtende Kleber entwickelt und auf ebenem und gebogenem Glas getestet.
Die faseroptischen Sensoren auf Basis von Bragg Gittern überstehen den Laminierungsprozess im Autoklav (140° C und 13 bar Druck) und den Langzeit-Belastungstest in den Laminaten.
Mögliche Anwendungen von faseroptischen Sensoren in Glaslaminaten wurden auf der glasstec 2014 anhand eines kaltgeformten Glasbogens (L = 2,4 m, B = 0,8 m) aus 4x6 mm FTG (BI-Tensit von BGT / INGLS), laminiert mit 1,52 Ionomer-Zwischenlagen, präsentiert. Die Position einer Person, die den Bogen überquert, wurde bestimmt durch ein Netzwerk von 90 faseroptischen BrAGG-Sensoren (DTG-A3A4 mit Ormocer®-Beschichtung, von FBGS). Außerdem wurde die Glasbelastung durch das Gewicht der Person und die Dauerbelastung durch das Kaltbiegen in Echtzeit gemessen und visualisiert (Optisches Belastungsanalysegerät (FBGScan 804D von FBGS mit einer Signalrate von 500Hz).
Projektleitung:
Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Dipl.-Ing. Thiemo Fildhuth
Project Partners:
BGT Bischoff Glastechnik AG, Bretten
FBGS Technologies GmbH, Jena
GuS – Präzision in Kunststoff, Glas und Optik GmbH & Co. KG, Lübbecke
INGLAS Produktions GmbH, Friedrichshafen
Technische Universität Dresden, Institut für Baukonstruktion, Dresden