TWI: SurFlow™

Die Hersteller von Produkten aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere von militärischen und zivilen Drohnen und Flugzeugen, suchen zurzeit nach Methoden, um Verkabelung zur Datenübertragung zu reduzieren. Daher wurden bisher meist metallische Drähte oder Geflechte in den Verbundwerkstoff eingebettet. Das kann aber zu Hohlräumen im Verbundwerkstoff führen, die während des Betriebes zu einem Bruchversagen führen können.

Daher suchte Paul Burling am TWI nach einer Technologie, mit der elektromagnetische Wellen entlang der Außenhaut des Verbundwerkstoffs übertragen werden können. Er kam auf die Idee, eine Beschichtung einzusetzen, die bisher verwendet wurde, um Flugzeuge vor Blitzeinschlägen zu schützen. Der von ihm entwickelte Verbundwerkstoff enthält eine Harzschicht, die als Dielektrikum - also als elektrischer Isolator - wirkt und anschließend mit einer elektrisch leitfähigen metallischen Beschichtung beschichtet wird.

Durch die Kombination von isolierenden und leitfähigen Materialien ermöglicht die SurFlow™-Technologie die Übertragung elektromagnetischer Wellen entlang der Oberfläche der Verbundfaserbauteile. Die Technologie verwendet Oberflächenwellen, das sind elektromagnetische Wellen, die sich entlang der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Eigenschaften ausbreiten. Diese Oberflächenwellen wandern entlang der Innenseite des Laminats auf der Oberfläche der nichtmetallischen Schicht. Im Schnitt besteht das Bauteil außen aus einer metallischen Oberfläche, darunter einer harzreichen Schicht, dann der Faserverstärkung, und innen einer weiteren Harzschicht.

Es gibt keine interne Verkabelung in den Verbundwerkstoff-Flügeln oder dem Verbundwerkstoff-Rumpf. Der Fernsteuerungssender wird, ohne die Antenne auszuziehen, mit dem Übertrager verbunden. Die jeweiligen Stromversorgungen der Quer- und Höhenruder werden eingeschaltet. Das Signal wird über eine Oberflächenwelle in der Oberflächenbeschichtung des Verbundwerkstoffs übertragen.

Die Stromquellen versorgen die Kamera und den Bildschirm. Die elektromagnetische Oberflächenwelle wandert durch den Verbundwerkstoff zum empfangsseitigen Übertrager. Die Live-Übertragung kann auf dem Bildschirm betrachtet werden. Die Oberflächenwelle findet ihren Weg um die Finger herum, so dass das Bild ungestört übertragen wird. Die Ausbreitung der Oberflächenwelle wird nur dann verhindert, wenn die gesamte Breite des Verbundwerkstoffbauteils abgedeckt wird. Jedes elektromagnetische Signal kann mit SurFlow™ übertragen werden.  

Die Fernsteuerung wird eingeschaltet. Ein elektromagnetisches Signal wird zu dem SurFlow™-Übertrager übertragen. Das Signal wir durch eine Oberflächenwelle auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffbauteils übertragen. Die Oberflächenwelle steuert den Daumen und die einzelnen Finger der künstlichen Hand. Mehrere Signale werden gleichzeitig von der Oberflächenwelle übertragen. 

SurFlow™ ist beschädigungsunempfindlich, da das Transducersignal Hindernisse umgeht. Praktische Anwendungen gibt es in vielen Industriesektoren, insbesondere in der Datenkommunikation und als Näherungssensor.

0:50 min, © TWI Ltd, 5. August 2019

Das TWI führt ein Verbundforschungsprojekt durch, zu dem AluStir auf Anfrage gerne weitere Informationen bereitstellt. Das Projekt besteht aus zwei Phasen:

• Phase 1: Charakterisierung der SurFlow™-Technologie hinsichtlich des Frequenzbereichs und der Datenübertragungsraten in Werkstoffen, die typischerweise industriell in mehreren Industriesektoren für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Die Untersuchung basiert auf zwei Szenarien:
• • Ein Senderpunkt und viele Empfängerpunkte im Verbundwerkstoff 
  • Viele Senderpunkte und ein Empfängerpunkt im Verbundwerkstoff
    
• Phase 2: Entwicklung von SurFlow™-Technologielösungen für bestimmte Geometrien oder Produkte, die für sie Sponsoren des Projektes von Bedeutung sind. Für jeden Einsatzfall wird eine Anpassungsstudie bezüglich der erforderlichen Herstellungs- oder Nachbearbeitungsprozesse des Verbundwerkstoffs durchgeführt. Das Projekt wird in Abhängigkeit der Geometrie des Bauteils auch geeignete Sender und Empfänger bezüglich der Datenübertragungsanforderungen und etwaiger Frequenzbeschränkungen untersuchen.

• Konstruktionsregeln für die erforderlichen Materialeigenschaften, um die SurFlow™-Technologie in Verbundwerkstoffstrukturen zu realisieren. Die Konstruktionsregeln beinhalten folgendes:
• • Anleitung zur Materialauswahl, wenn die erforderliche Geometrie, Datenübertragungsrate und Operationshäufigkeit bekannt sind.
  • Definition des Betriebsumfangs (Datenübertragungsrate bei bestimmten Frequenzen), wenn die Materialien bekannt sind oder ausgewählt werden.
• Gezielte Lösungen für das Design bestehender oder neuer Produkte, die von den Sponsoren bereitgestellt werden.

Der geschätzte Gesamtbudget für das Projekt beläuft sich auf 340.000 £, d.h. circa 387.000 € (ohne Mehrwertsteuer), was über die Projektlaufzeit von zwei Jahren jeweils 34.000, d.h. circa £ 38.700 €  pro Jahr von jedem der 5 Projektteilnehmer erfordert.

• Paul Burling: System and method for transmitting data or power across a structural component. Patent No.: US 10,090,715 B2, 2 October 2018.
• Helen Knight: A world away  from wiring. A new data-transfer technology could eliminate the need for additional wires and fibre-optic cables in aircraft.
  The Engineer, September 2016 S. 42.

Für Unternehmen in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz stellt AluStir Ihnen auf Anfrage gerne weitere Informationen zur Verfügung. Bitte kontaktieren Sie uns per Telefon (+49 6024 636 0123) oder E-Mail (stephan.kallee@alustir.com).