(19) *DE102018122613A120190321*

(10) DE 10 2018 122 613 A1 2019.03.21

(12) Offenlegungsschrift

(21) Aktenzeichen: 10 2018 122 613.6(22) Anmeldetag: 16.09.2018(43) Offenlegungstag: 21.03.2019

(51) Int Cl.: H01B 1/00 (2006.01)E04C 5/00 (2006.01)H02G 3/36 (2006.01)

(66) Innere Priorität:10 2017 121 422.4 15.09.2017

(71) Anmelder:Hochschule für Technik, Wirtschaft und KulturLeipzig, 04277 Leipzig, DE

(74) Vertreter:Gottfried, Hans-Peter, Dipl.- Ing., 01067 Dresden,DE

(72) Erfinder:Rudloff, Tobias, 04177 Leipzig, DE; Telschow,Dietmar, 04317 Leipzig, DE; Kahnt, Alexander,04275 Leipzig, DE; Kirmse, Susanne, 04229Leipzig, DE; Grauer, Otto, 04275 Leipzig,DE; Lägel, Emanuel, 04613 Lucka, DE;Holschemacher, Klaus, 04425 Taucha, DE;Heimbold, Tilo, 04821 Brandis, DE

Prüfungsantrag gemäß § 44 PatG ist gestellt.

Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen.

(54) Bezeichnung: Vorrichtung und Verfahren zur Daten- und/oder Energieübertragung über eine elektrischeLeitung, die im Inneren eines Bauteils angeordnet sind

(57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft eine Vorrich-tung und ein Verfahren zur Daten- und/oder Energieübertra-gung über elektrische Leiter, die im Inneren eines ein Matrix-material umfassenden Bauteils angeordnet sind. Nach derErfindung liegen die elektrischen Leitungen aus elektrischleitfähigen textilen Garnen, Fasern oder Rovings im Innerendes Bauteils vor und sind mit dem mineralischen oder orga-nischen Matrixmaterial fest vergossen. Die Erfindung betrifftweiterhin ein Bauteil, umfassend eine Bewehrung aus elek-trisch leitfähigen textilen Garnen, Fasern oder Rovings, so-wie ein Verfahren zur Auswahlkonfiguration von Carbonfa-sern, Carbongarnen oder Carbonrovings zur Ausbildung ei-ner Carbonstruktur und zur Funktionalisierung für eine Ver-wendung in einer Vorrichtung zur Daten- und/oder Ener-gieübertragung über elektrische Leitungen. Ein weiterer As-pekt der Erfindung bezieht sich auf eine Verwendung einerBewehrung aus leitfähigen Filamenten, sodass eine Daten-übertragung und/oder eine Energieübertragung ermöglichtwerden.

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Da-ten- und/oder Energieübertragung über wenigstenseine elektrische Leitung, die im Inneren eines einMatrixmaterial umfassenden Bauteils angeordnet ist,und weiterhin ein bewehrtes Bauteil, ein Bauwerk so-wie ein Verfahren zur Übertragung von Daten und/oder Energie. Die Erfindung betrifft außerdem einVerfahren zur Auswahlkonfiguration von Carbonfa-sern, Carbongarnen oder Carbonrovings zur Funk-tionalisierung für eine Verwendung in einer Vorrich-tung zur Daten- und/oder Energieübertragung überwenigstens eine elektrische Leitung, die im Innereneines Bauteils angeordnet ist. Gegenstand der vor-liegenden Erfindung ist zudem eine Verwendung ei-ner Bewehrung, die zumindest teilweise aus leitfähi-gen Filamenten oder anderen langgestreckten texti-len Fasern besteht. Insbesondere ist die Funktionali-sierung von Carbonrovings zur Übertragung von Da-ten- und Energie in Gebäuden, Infrastrukturbauwer-ken und anderen baulichen Anlagen vorgesehen.

[0002] Bisher werden für die Installation von Daten-und Energieleitungen getrennte und nachträglich in-stallierte Kabel, meist auf Kupferbasis, verwendet.Das bedeutet, eine Doppelnutzung im Sinne der Sta-tik sowie der Digitalisierung der bereits Verwendungfindenden und zumeist elektrisch leitfähigen Beweh-rung, ganz gleich ob Stahl- oder Textilarmierung mitbeispielsweise Carbonrovings, findet nicht statt. DieStahlbewehrung eignet sich, anders als eingesetz-te Carbonrovings, nur sehr begrenzt als direkter un-geschirmter Datenleiter in einem Betonverbund. Da-für müsste entweder eine zusätzliche, als Strom- undDatenleiter ausgeführte Carbongarnstruktur hinzuge-fügt werden oder eine kombinierte Mischstruktur ge-schaffen werden. Carbongarn besteht ebenso wieein Carbonroving aus einer Vielzahl von Carbonfa-sern, den Einzelfilamenten. Sofern nachfolgend nurdas bevorzugt eingesetzte Carbongarn genannt ist,so ist dennoch auch eine Verwendung von Carbonfa-sern oder Carbonrovings vorgesehen. Carbonfasern,Carbongarn oder Carbonrovings kommen beispiels-weise auch in Fertigteilen bzw. Bauteilen mit organi-scher Matrix, beispielsweise faserverstärktem Kunst-harz, zum Einsatz.

[0003] Es sind aus dem Stand der Technik bereitsLösungen bekannt, bei denen eine weitergehendeNutzung von Carbonfasern, die als Bewehrung zumEinsatz kommen, und ihre Verwendung für elektri-sche Effekte vorgeschlagen wird. Die DruckschriftDE 10 2016 101 919 A1 hat eine Bewehrung und einbewehrtes Bauteil oder Fertigteil, wie es nachfolgendauch genannt ist, zum Gegenstand, wobei die ange-botene Lösung insbesondere auf die thermische undelektrische Energiespeicherung in tragenden Struk-turen abzielt. Eine für den Fachmann nacharbeitba-

re Lösung für eine Daten- bzw. Energieübertragungwird nicht angeboten.

[0004] Die Druckschrift DE 10 2016 118 711 A1befasst sich konkreter mit einem Bauteil mit elek-trisch leitfähiger Bewehrung. Die Bewehrung ist alsein Leiter verlegt und eine induktiv und/oder piezo-elektrisch erzeugte Spannung ist in dem Leiter mit-tels Anschlusskontakten an dem Bauteil abgreifbar.Über die abgegriffene Spannung können ein Fahr-zeugverkehr über das Bauteil und die Belastung desBauteils überwacht oder elektrische Energie in gerin-gerem Umfang für bestimmte Anwendungen erzeugtwerden. Eine Lösung für eine Daten- bzw. Energie-übertragung wird nicht angeboten.

[0005] Bauteile bzw. Fertigteile auf Basis einer mine-ralischen oder organischen Matrix, wie z. B. Carbon-oder Textilbetonbauteile oder auch Kunstharzbautei-le, werden derzeit nicht- oder selbsttragend ausge-führt, jedoch immer ohne die Nutzung der elektri-schen Leitfähigkeit der Bewehrungsfasern zur Da-ten- bzw. Energieübertragung vorzusehen. Die der-zeitigen Lösungen sind somit nicht als ganzheitli-ches Bausystem mit integrierter digitaler Infrastruk-tur entwickelt. Bisher muss immer zusätzliches Ma-terial, beispielsweise Kupferkabel, als Aufputz- bzw.Unterputzinstallation in das Bauteil eingebracht wer-den. Im Bauwesen müssen dafür beispielsweise beider Unterputzinstallation Kabelschlitze eingeschnit-ten werden, was einen erheblichen zusätzlichen Auf-wand darstellt. Das Einlassen ungeschirmter, nichtummantelter Kupferstrukturen zur Daten- oder En-ergieversorgung kann zur Korrosion der Kabel füh-ren. Damit steigt das Risiko, dass gefährliche Kriech-ströme bis hin zum Kurzschluss bei feuchten Bauteil-strukturen entstehen.

[0006] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfin-dung, die verbesserte und vereinfachte Übertragungvon Daten und Energie, v. a. in Form von Kleinspan-nung, in bewehrten bzw. faserverstärkten Bauteilenvorzuschlagen.

[0007] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrich-tung zur Daten- und/oder Energieübertragung überwenigstens eine elektrische Leitung bzw. einen Lei-ter, die bzw. der im Inneren eines ein Matrixmateri-al umfassenden Bauteils angeordnet ist. Erfindungs-gemäß liegt die elektrische Leitung, die bevorzugtals eine Nachbildung kabelähnlicher Strukturen vor-gesehen ist, aus elektrisch leitfähigen textilen Gar-nen, Fasern oder Rovings im Inneren des Bauteilsvor. Sie ist mit der das Bauteil ausbildenden mine-ralischen Matrix, z. B. Beton, oder der organischenMatrix fest vergossen. Als organische Matrices kön-nen z. B. Kunststoffe, Bitumen oder Holz, vorgesehenwerden. Dadurch wird eine gezielte Funktionalisie-rung dieser Strukturen bei gleichzeitig niedrigem Ge-wicht und hoher Korrosionsbeständigkeit ermöglicht.

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Dies bringt einen erheblichen Mehrwert durch einedeutlich vereinfachte Handhabung während der End-montage solcher Strukturen. Die Nutzung der sen-sorischen Eigenschaften einer so bereits integrier-ten Struktur bringt ebenfalls einen deutlichen Mehr-wert gegenüber einer nachträglichen Sensorinstalla-tion und einer häufig damit verbundenen Struktur-schädigung oder -schwächung.

[0008] Weitere wesentliche Vorteile liegen in derelektrotechnischen Funktionalität. Beispielsweise ar-beiten die üblichen und bekannten Lösungen im Bau-wesen im Bereich von 230 Volt. Damit gehen zusätz-liche Risiken bei Beschädigungen oder Kriechströ-men und erhöhte Preise der Installationstechnik ein-her. Ein großer Teil von Geräten erfordert keine ho-he Spannung, sondern ist bereits mit Kleinspannungbetreibbar. Genau in diesem Bereich ist der Einsatzeines leitfähigen textilen Garns, von Fasern oder Ro-vings in besonders hohem Maße vorteilhaft, wie sichüberraschend zeigte.

[0009] Als besonders vorteilhaft hat es sich erwie-sen, wenn als textile Fasern, Garne oder RovingsCarbonfasern, Carbongarne oder Carbonrovings vor-gesehen sind. Bereits durch den Einsatz von z. B.Textilbeton können bis zu 50 % der Ressourcen beiHerstellung und Transport eingespart werden. Durchdie gezielte Funktionalisierung und Nutzung der Car-bonrovings als Daten- und Energieleiter für Anwen-dungen im Kleinspannungsbereich können so zu-sätzliche Ressourcen aus dem Bereich der Installati-onstechnik in deutlichem Umfang eingespart werden.

[0010] Die Verwendung von Carbonfasern weist je-doch einige Besonderheiten auf, die berücksichtigtwerden müssen. Die Carbonfaser besitzt einen imVergleich zu Kupfer viel höheren Widerstand. Dasbedeutet, dass der Leiterquerschnitt durch die Par-allelschaltung einer größeren Anzahl an Fasern er-höht werden muss, um den elektrischen Widerstandzu verkleinern. Mit Fasern, die einen spezifischen Wi-derstand von 3 Ohm x Quadratmillimeter pro Meteraufweisen, wird ein elektrischer Widerstand erreicht,der um den Faktor 100 über dem von Kupfer liegt. Umalso eine übliche Kabelstruktur adäquat durch Car-bonfasern zu ersetzen, würde ein Leiterquerschnittvon 150 mm2 benötigt, um dieselbe Stromtragfähig-keit zu erreichen. Damit ergibt sich ein Durchmes-ser von ca. 14 mm. In vielen spezialisierten Anwen-dungsgebieten ist eine höhere Stromtragfähigkeit je-doch gar nicht notwendig, wie sich überraschend ge-zeigt hat, sodass neben den besonderen Vorteilen,wie nachfolgend näher ausgeführt, bislang bestehen-de Hindernisse für die erfindungsgemäße Verwen-dung sich als überwindbar erwiesen haben.

[0011] Sollten darüber hinaus in Zukunft einmal Fa-sern mit einem spezifischen Widerstand von ≤ 1Ohm*mm2/m erhältlich sein, fällt die Leistungsbilanz-

betrachtung hinsichtlich des Preises in Bezug auf dasGewicht noch deutlicher zu Gunsten der Carbonfaseraus. Eine solche Entwicklung wird als möglich erach-tet, da es sich bei den Carbonleitern um einen voll-synthetischen Werkstoff handelt.

[0012] Für eine weitreichende Funktionalität und zurAnpassung der Carbonfasern, Carbongarne oderCarbonrovings, nachfolgend auch als Carbonleiterbezeichnet, an die jeweils vorherrschenden Anforde-rungen werden diese mit definierten Leitungspara-metern ausgestattet oder ausgewählt. Als diese Lei-tungsparameter kommen insbesondere in Betracht:

[0013] Spezifischer elektrischer Widerstand: Der fürden jeweiligen Anwendungsfall notwendige spe-zifische elektrischer Widerstand der Carbonleiterwird durch Verwendung spezieller Carbongarne, diedie erforderlichen elektrischen Leitungseigenschaf-ten aufweisen, erreicht. Besonders bevorzugt sindniederohmige Carbonfasern mit einem spezifischenWiderstand kleiner gleich 3 Ohm*mm2/m je Meter vor-gesehen.

[0014] Leitungsquerschnitt: Die Carbonfasern, ins-besondere aber die Carbongarne oder Carbonro-vings, werden mit definiertem, zuvor berechnetemanwendungsspezifischem Leitungsquerschnitt her-gestellt. Dies kann auch durch Auswahl von Carbon-fasern mit bestimmtem Durchmesser und einem dar-aus gefertigten Garn oder Roving mit einer bestimm-ten Anzahl von Fasern erfolgen.

[0015] Abstände zwischen Hin- und Rückleitern: DieFestlegung definierter Abstände zwischen den Car-bonleitern, insbesondere den bevorzugt als Carbon-garne ausgeführten Hin- und Rückleitern, erfolgt zurDefinierung notwendiger Kabelkapazitäten.

[0016] Isoliervermögen: Eine Einstellung des not-wendigen Isoliervermögens zwischen Hin- und Rück-leiter sowie der umgebenden mineralischen oder or-ganischen Matrix erfolgt bevorzugt durch Beschich-tung oder Tränkung des Carbongarns bzw. Carbon-rovings mit einem geeigneten Dielektrikum unter Be-rücksichtigung der sich damit ergebenden Permeabi-lität und Permittivität.

[0017] Vorbereitung zur Kontaktierung: Die Vorbe-reitung der Carbongarne oder -rovings ist zur Kon-taktierung einzelner Segmente bzw. Leiter, die inder mineralischen oder organischen Matrix eingebet-tet sind, erforderlich, um eine Kontaktierung für dieKopplung mit anzuschließenden Nutzelementen, wiez. B. Schalter, Taster, Sensoren und Aktoren, zu er-möglichen. Dadurch wird eine beliebig wiederholba-re und sichere Kontaktierung beliebiger Nutzelemen-te entlang der informationstragenden Carbongarneoder Carbonrovings, beispielsweise durch Schneid-klemm- und Durchdringungstechnik, ermöglicht.

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[0018] Vorteilhafterweise erfolgt weiterhin in einerAusführungsform eine Beschichtung des Carbon-garns, um die mechanische Aktivierung alle Filamen-te durch Anbindung an die Matrix sicherzustellen, so-dass das Carbongarn statische Aufgaben überneh-men kann. Es ist zur optimalen Lastabtragung erfor-derlich, dass eine möglichst große Vielzahl von Car-bonfasern unmittelbar an das Matrixmaterial ange-bunden ist, damit sich die in ein Bauteil eingetrageneLast entsprechend auf die Fasern möglichst gleich-mäßig verteilen kann.

[0019] Eine vorteilhafte Anwendung der vorliegen-den Erfindung sieht eine Datenübertragung insbe-sondere zwischen den elektrischen Kontakten vor,bevorzugt über ein Bussystem, wobei ein digita-les Trägermodulationsverfahren eingesetzt wird. EinTrägersignal, oder kurz Träger (engl. carrier) ge-nannt, ist eine sich periodisch ändernde technischeGröße (z. B. eine Wechselspannung oder eine Funk-welle) mit konstanten charakteristischen Parametern(z. B. Frequenz, Amplitude, Tastgrad, Phasenlage).Träger kommen zur Anwendung beim Transport ei-nes Nutzsignals mittels eines Trägerfrequenzverfah-ren; dabei wird das Nutzsignal in einem oder mehre-ren der genannten Parameter des Trägersignals ab-gebildet (moduliert). Beim Empfänger ist das Träger-signal das Bezugssignal zur Demodulation eines zu-vor modulierten Trägers. Mit dessen Hilfe wird dasNutzsignal vom Trägersignal getrennt.

[0020] Die Datenübertragung über Carbonleiter, ins-besondere Carbonfasern, Carbongarn oder Carbon-rovings, führt zu einer geringeren elektromagneti-schen Abstrahlung und ebenso zu einer Verringe-rung der Einkopplung externer Störsignale, wie sichüberraschend gezeigt hat. Folge dessen ist somit ei-ne erhebliche Verbesserung des Signal-Rausch-Ver-hältnisses (SNR) bei der Datenübertragung. Damitkann folglich die elektromagnetische Abstrahlung inRäumen nahezu vermieden sowie die Störanfälligkeitder Systeme stark verbessert werden. Ein herausra-gender Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt somitin der ab- und einstrahldämpfenden Wirkung. DieserEffekt zeigt sich besonders deutlich, wenn nach ei-ner bevorzugten Ausführungsform die Carbonfasernals Medium zur frequenzmodulierten Datenübertra-gung vorgesehen sind. Nicht zuletzt wegen des vor-genannten Effekts erweist sich die Verwendung vonCarbonleitern auch im Sinne ein herkömmliches Ka-bel als vorteilhaft, unabhängig von ihrem Einbau ineine Matrixstruktur oder von einer gleichzeitigen Ver-wendung als Bewehrung. Sofern die Carbonleiter alsVerstärkungsfasern bzw. Bewehrung genutzt wer-den, ist neben dem Bauwesen auch ein Einsatz in an-deren Industrien vorgesehen, wie im Automobilbau,im Flugzeugbau oder im Maschinenbau in den dortverwendeten Bauteilen. Dies betrifft gleichermaßendie unten beschriebenen Effekte und Anwendungen.

[0021] Als ein weiterer vorteilhafter Einsatz der Car-bonfasern im Rahmen der vorliegenden Erfindungwerden diese genutzt, um eine Veränderung des phy-sischen Informationskanals festzustellen. Eine sol-che Veränderung kann beispielsweise durch An-schalten oder Entfernen von Komponenten, durchStörungen von außen oder durch direkte Verände-rungen an dem Carbonleiter, wie z. B. Quetschungoder Stauchung, hervorgerufen werden. Im Ergeb-nis ist dies als eine Veränderung des physischen In-formationskanal zu detektieren, indem zu einer fre-quenzmodulierten Datenübertragung eine vom Si-gnal-Rausch-Verhältnis-(SNR)-abhängige Datenträ-gerverteilung vorgenommen wird. Eine Veränderungdes Übertragungskanals führt immer zu einer Verän-derung des SNR im einzelnen eingesetzten Informa-tionsträger. Dadurch ergibt sich die Eigenschaft einervon der Topologie abhängigen Trägerverteilung. Die-se Eigenschaft kann genutzt werden, um die obengenannte Veränderung des physischen Informations-kanals zu detektieren und ermöglicht eine Funktionals sensorisches Element in unterschiedlichsten An-wendungsgebieten. Eine Detektion von Strukturver-änderungen in leitenden Elementen kann helfen, Al-terung und Verschleiß oder unzulässige Zugriffe fest-zustellen und somit die physische Zugriffssicherheitverschiedenster Applikationen zu erhöhen. Als Vor-teile sind eine verbesserte Sicherheit und die Mög-lichkeit eines Monitoring zu nennen.

[0022] Im dem Zusammenhang ist es nach der Er-findung auch vorgesehen, die die Carbonleiter, z. B.die Carbonfasern bzw. den Carbonroving, als senso-risches Element in Bezug auf Detektierung von Ka-pazitäts- und Widerstandsänderungen bei Berührungoder Verformung einzusetzen. Damit können Steue-rungssignale u. a. auch durch Multi-Touch-Gestengänzlich ohne Schalter in Bauteile eingebracht unddurch die ebenfalls mögliche Kontaktierung entspre-chend weitergeleitet werden.

[0023] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsformsieht vor, die Carbonfasern, das Carbongarn oderden Carbonroving als einen Aktor auszugestalten.Dazu werden bevorzugt die Carbonfasern, das Car-bongarn oder der Carbonroving als Wicklung um ei-nen ferromagnetischen Metallkern, insbesondere ei-nen weichmagnetischen Eisenkern, angeordnet, wel-cher in der mineralischen oder organischen Ma-trix beweglich angeordnet ist. Möglich wären damitSchaltungen bzw. Bewegungen von z. B. Schlössernoder elektrischen Schaltern bei vollständiger galvani-scher Entkopplung.

[0024] Um die oben bereits erwähnte elektrischeKontaktierung der Carbonleiter zu erreichen, sind ausdem Bauteil nach außen reichende und von außer-halb des Bauteils zugängliche elektrische Kontak-te vorgesehen und mit den Carbonleitern zumindestelektrisch verbunden.

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[0025] Die als Carbonleiter dienenden Carbonfa-sern, -garne oder -rovings sind insbesondere auchals Bewehrung für ein Bauteil, umfassend das Matrix-material, vorgesehen. Da die Bauteile, die eine mine-ralische Matrix, wie z. B. bei Textilbeton, aufweisen,auch bei extremen Anforderungen und Expositions-klassen keine Bewehrungskorrosion im Laufe ihrerLebensdauer aufweisen, können so auch im widrigs-ten Umfeld die Langlebigkeit und dauerhafte Funkti-onsfähigkeit von Anlagen der Kleinspannungsinstal-lation deutlich gesteigert werden.

[0026] Damit soll es möglich sein, optional auch diestatische Funktion der Carbonfasern, des Carbon-garns oder des Carbonrovings nutzbar zu machen.Dies ermöglicht schließlich eine Dreifachnutzung desGarns. Damit könnte in bisher unvergleichlicher Wei-se extrem strukturintegriert konstruiert werden, v. a.mit einer Leiterstruktur, die deutlich leichter ist. Denndie Dichte von Carbongarn beträgt ca. 1800 kg/m3,vergleichbare Daten- oder Energieleiter aus Kupferca. 9000 kg/m3.

[0027] Es erfolgt eine Kombination verschiedenerVorteile von Carbonrovings (Zugfestigkeit, Korrosi-onsbeständigkeit, Gewicht usw.). So kann in Kon-struktionselementen und anderen Bauteilen die sta-tisch wirksame Funktion der Carbonstruktur auchunter schwierigen Umgebungsbedingungen (bspw.Feuchtigkeit, Vermeidung von magnetischen Struk-turen, usw.) überlagert werden mit der Nutzung derCarbonrovings zum Übertragen von Daten und/oderEnergie.

[0028] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfin-dung betrifft ein Bauteil, umfassend eine funktio-nell aufgewertete Bewehrung, wie zuvor beschrie-ben. Das Bauteil ist beispielsweise als industriell vor-gefertigtes Wandelement für ein Gebäude ausgebil-det oder auch anderen Bereichen als dem Bauwesen,z. B. im Fahrzeug- oder Maschinenbau.

[0029] Die Erfindung wird weiterhin gelöst durch einVerfahren zur Auswahlkonfiguration von Carbonlei-tern, z. B. Carbonrovings, zur Funktionalisierung, wiesie oben beschrieben wurde. Erfindungsgemäß wirdeine Konfiguration bestimmter Parameter vorgenom-men, so dass die gewünschte Funktionalisierung fürden jeweiligen Einsatzzweck des Carbonleiters er-reicht wird, wobei Variationen der folgenden Eigen-schaften des carbonbasierten Grundmaterials, z. B.Carbongarn, zum Tragen kommen:

[0030] Elektrische Eigenschaften:

• Fasertyp,

• spezifischer elektrischer Widerstand,

• Durchmesser der Einzelfilamente und der sichdaraus ergebenden Faserbündel,

• Länge der Struktur (die Länge des sich erge-benden Einzelleiters),

• Abstand der Leitungen bzw. Leiter (spezifi-ziert letztlich die Kabelkapazität), Kreuzungs-punkte (ausschlaggebend für eine unerwünsch-te Fremdeinkopplung bzw. ein Übersprechen),

• Stromtragfähigkeit (ergibt sich aus Wider-stand und Temperaturkoeffizienten der erstell-ten Struktur);

[0031] Volumenanteil pro Struktureinheit:

• Anzahl Fasern,

• Lage der Fasern zueinander;

[0032] Beschichtung von Faserverbünden:

• Garn eingewebt in vorgefertigte Strukturenwie Trägerfolien oder wasserlösliche Fixierungs-strukturen (beispielsweise ein Stoffband) zurbesseren maschinellen Handhabbarkeit und in-dustriellen Verarbeitung, um die vorher festge-legten Kabeleigenschaften der zu verwenden-den Garne bei der Einbringung in den Beton zugarantieren,

• mit Faden umgarnt als isolierende und struk-turfestigende Ummantelung,

• Gummibeschichtung als isolierende und struk-turfestigende Ummantelung,

• Epoxidharz (Einbettung/Verbund),

• besandet (verbesserte Kraftübertragung in dieMatrix),

• feuerbeständige Beschichtung;

[0033] Matrix-Einbettung:

• in Bauteilebene (mineralische oder organischeMatrix wie Beton, Innenputz, Estrich, Kunstharz,Bitumen, Holz usw.) oder in funktionalisierteGarne bzw. Leiter innerhalb eines faserverstärk-ten Bewehrungsstabes,

• in Mantelebene (Ummantelung der Roving-bündel: verschiedene Materialien sind vorgese-hen, insbesondere thermoplastische Materiali-en wie PC, TPU, PUR, PET, W-PVC, H-PVC,EVOH, EVA, ABS, HDPE, LDPE, MDPE, LL-DPE, TPE, TPV, PP, PS, PA, PMMA, POM,PEEK, Schmelzkleber, Haftvermittler, glasfaser-verstärkte Materialien, kreidegefüllte Polyolefi-ne, Fluorpolymere oder auch Gewebeschläucheaus Folie, Fiberglas, Siliziumfasern);

• in Kernebene (verbindende Matrix zwischenden Garnen): verschiedene Materialien sind vor-gesehen, insbesondere leitende Beschichtun-gen, ausgeführt als Coatings, Kupferbeschich-tungen, elektrisch leitende Dispensierungsmate-rialien, elektrisch leitende Kleber und elektrisch

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leitende Dichtmassen. Dies kann unter Umstän-den notwendig sein, um die Leitungsparametergezielt zu beeinflussen, eine bessere Beständig-keit und/oder eine bessere Verarbeit- und Hand-habbarkeit zu erzielen.

[0034] Je nach gewünschter Zielapplikation sind alsGrundanforderungen zumindest die geometrischenAbmessungen der Struktur und die an die Geome-trie der gesamten Carbonstruktur anzuschließendenelektrischen Teilnehmer (Input, Output) der Anwen-dung festzulegen. Anhand dieser Einordnung erfolgtdann nach definierten Grundprinzipien die Klassifizie-rung der notwendigen elektrischen Kontaktierung derCarbongarnstruktur.

[0035] Die Konfiguration der Carbonrovings bzw.der Carboneigenschaften basiert auf einem Aus-wahlalgorithmus als wichtige Grundlage für die er-findungsgemäße Funktionalisierung. Hierbei werdenEntscheidungen zur Ausbildung der jeweiligen Car-bonstruktur, unter Berücksichtigung von z. B. Mate-rialeigenschaften, Materialkombination, Konstruktionusw., in Beziehung gesetzt. Dem künftigen Anwen-der der vorliegenden Erfindung wird mittels der Da-ten ermöglicht, das Produkt so auszuwählen, dassdie gewünschte Funktion in die jeweilige Anwen-dung, z. B. in ein Konstruktionselement, integriertwird. Um vor diesem Hintergrund die komplexen Da-tenverknüpfungen und Auswahlentscheidungen nut-zerfreundlich zu gestalten, wird bevorzugt oder al-ternativ eine rechnergestützten Produktparametrisie-rung vorgesehen.

[0036] Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahrenzur gleichzeitigen Übertragung von Daten und Ener-gie. Basierend auf den passend konfigurierten Eigen-schaften kann die Carbonfaser somit zur Durchfüh-rung des Verfahrens kontrolliert funktionalisiert wer-den und in verschiedenste Strukturen, insbesonde-re mineralische oder organische Matrices, integriertwerden und sich somit ein essentieller Mehrwert fürden Einsatz dieses Werkstoffes, Carbon in Form derCarbonleiter, ergeben. Die Kombination der Daten-und Energieübertragung mittels Carbonleiter, z. B.Carbongarnen, ermöglicht einige integrierte Funktio-nalitäten.

[0037] Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Verwen-dung einer Bewehrung aus leitfähigen Filamenten zueiner Datenübertragung und/oder eine Energieüber-tragung, wie oben näher erläutert. Damit wird einesynergetische Dreifachnutzung erreicht. Die vorlie-gende Erfindung kann damit viele der oben im Standder Technik benannten Nachteile vermeiden und alleKomponenten für die Nutzbarmachung z. B. der Car-bonrovings als Bewehrungselement mit gleichzeitigerDaten- und Energieleitung, insbesondere mit Nieder-spannungsleiterfunktionalität, bereitstellen.

[0038] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es insbe-sondere, für viele Anwendungsfälle geeignete Car-bonleiterstrukturen zu entwickeln, die im vordefinier-ten Rahmen sowohl Daten als auch Elektroenergie,wie z. B. Kleinspannung, durch ein und denselbenCarbonleiter übertragen können und dabei gleichzei-tig den steigenden ökologischen Anforderungen ent-sprechen. Dadurch kann dem Carbonleiter eine Drei-fachfunktion als Daten- und Energieleiter für die Ge-bäudeautomation sowie als Bewehrung der Baukon-struktion zugeordnet werden. Die erfindungsgemä-ßen Bauteile sollen kostengünstig und durch auto-matisierte Verfahren fertigbar sein sowie zu keinerweiteren nachträglichen Materialeinbringung, wie siedurch zusätzliche Verkabelung nötig wird, und einerdamit verbundenen Strukturschwächung, z. B. durchKabelschlitzung, führen oder gar in eine Verdickungder Baukonstruktionen münden.

[0039] Bevorzugt erfolgt eine gezielte Nachbildungkabelähnlicher Strukturen aus Carbonrovings in derBewehrungsstruktur mit definierten Leitungsparame-tern wie:

• spez. elektrischer Widerstand durch Verwen-dung spezieller Carbongarne,

• Herstellung definierter und vorher berechneteranwendungsspezifischer Leitungsquerschnitte,

• Festlegung definierter Abstände der als Gar-ne ausgeführten Hin- und Rückleiter zur Definie-rung notwendiger Kabelkapazitäten,

• Erstellung des notwendigen Isoliervermögenszwischen Hin- und Rückleiter sowie der umge-benden Struktur (mineralische Matrix) durch Be-schichtung bzw. Tränkung des Carbonrovingsmit einem geeigneten Dielektrikum unter Be-rücksichtigung der sich damit ergebenden Per-meabilität und Permittivität,

• Vorbereitung der Carbonrovings zur Kontaktie-rung einzelner Segmente aus mineralischer Ma-trix bzw. Kontaktierung anzuschließender Nutz-elemente (Schalter, Taster, Sensoren und Ak-toren) durch gezielte Galvanisierung der Rovin-genden,

• Nutzbarmachung der Schneidklemm- undDurchdringungstechnik zur beliebig wiederhol-baren und sicheren Kontaktierung beliebigerNutzelemente entlang der informationstragen-den Carbonrovings,

• Festlegen, ob das Carbongarn statische Auf-gaben übernehmen soll, hierzu

• Definition der Beschichtung des Carbongarns,um die Aktivierung alle Filamente sicherzustel-len.

[0040] Die so erstellten funktionalisierten Carbon-leiter, z. B. Carbongarne oder auch Rovings, zur

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Daten- und Energieübertragung werden dann z. B.in den automatisierten Herstellungsprozess oder aufder Baustelle integriert und mit Strukturen aus reintragenden Garnen gemischt. Dabei kann die Aus-gestaltung entweder nach kundenindividualisierba-rer Funktionalität des Bauteils oder einem universelleinsetzbarem Bauteil als Massenprodukt entschie-den werden. Bereits während des Herstellungspro-zesses wird ein Koppelmodul, eine Schnittstelle, zurAnbindung an das oder die nächsten Segmente z.B. in ein Betonwandsegment, welches an ein weite-res Betonwandsegment anschließt, integriert. Damitsoll sichergestellt werden, dass immer eine definier-te Verbindung unterschiedlichster Segmente herge-stellt werden kann. Durch die Nutzung von Schneid-klemm- und Durchdringungstechnik wird es im Nach-gang ermöglicht, z. B. Aktorik (wie einfache LED-Mo-dule) und Sensorik an frei wählbaren Positionen aneinen digitalen Datenbus anzukoppeln.

[0041] Die herausragenden Vorzüge der vorliegen-den Erfindung bestehen in der Dreifachnutzung vonCarbonleitern zur Verwendung als Bewehrungsele-ment sowie als Daten- und/oder Energieübertra-gungsmedium in Segmenten, basierend auf einer mi-neralischen oder organischen Matrix, wie z. B. Beton.Gerade auch die Kombination aus Datenübertragungund Energieübertragung stellt eine vorteilhafte Be-sonderheit der Erfindung dar. Synergetisch könnenalso individuell die Bewehrungsfunktion, die Funkti-on der Datenübertragung und/oder die Energieüber-tragung kombiniert werden. Als besonders vorteilhafthat sich eine Kombination von mindestens zwei dervorgenannten drei Funktionen erwiesen.

[0042] All das kann zukünftig automatisiert auf ei-ner Fertigteilumlaufanlage hergestellt werden. Diegefertigten und somit bereits vollständig verkabeltenEinzelbauteile können auf der Baustelle zu einemBausystem zusammengefügt werden. Damit könnenkomplett mit digitaler Infrastruktur (Smart-Home) aus-gestattete Bauwerke durch das vorliegende Systemrealisiert werden.

[0043] Die bereits als Stützstruktur in Bauteilen mitmineralischer Matrix, z. B. Textilbeton, eingesetztenCarbonleiter werden gleichzeitig als Medium für dieÜbertragung von Daten und benötigter Versorgungs-energie im Niederspannungsbereich, z. B. für dieHausautomation in Gebäuden und Infrastrukturbau-werken, genutzt. Dafür soll ein frequenzmodulierterKommunikationsbus als Grundlage dienen, um überleitfähige und in den Übertragungseigenschaften an-gepasste Carbonrovings z. B. die Teilnehmer einerHausautomation, unter dem Stichwort Smart-Home,miteinander zu vernetzen und gleichzeitig mit Ener-gie zu versorgen.

[0044] Die vorliegende Erfindung kombiniert die Vor-teile von Carbonleitern, insbesondere Carbonrovings

und anderen Formen von Carbonfasern, in Bezugauf die Verwendung im Bereich der Statik und derNutzung als Daten- und/oder Energieübertragungs-medium. Als Ergebnis steht ein flexibel einsetzba-res Bewehrungssystem für Innen- und Außenbautei-le, welches den Ansprüchen des Marktes in höchs-tem Maß gerecht wird, weil damit sowohl eine Sta-tik- und Gewichtsverbesserung sowie die Nutzungals Daten- und Energieübertragungselement im glei-chen System umgesetzt werden können. Zusätzlichsoll bereits bei z. B. der Betonbauteilherstellung erst-malig über die Verbindung von Carbonrovings mitder bereits beschriebenen sensorischen Eigenschaftder eingesetzten frequenzmodulierten Übertragungs-technik ein Schutz vor ungewolltem externen Ein-griff in die digitale Datenübertragungsstruktur inte-griert werden.

[0045] Die vorliegende Erfindung kann viele derNachteile des Stands der Technik beheben und al-le Komponenten für die Nutzbarmachung der Car-bonrovings als Bewehrungselement mit gleichzeitigerDaten- und Niederspannungsleiterfunktionalität be-reitstellen.

[0046] Es ergeben sich damit erhebliche planungs-technische Vorteile sowie mehr Sicherheit und Re-produzierbarkeit der Einzelsegmente durch Vermei-dung nachträglicher Installationsschritte durch aus-führende Gewerke, aber auch deutliche Gewichtsre-duzierungen der vollständig vorverkabelten Segmen-te aus mineralischer Matrix, wie z. B. Textilbeton, ge-genüber Alternativen auf Kupferbasis. Denn die Erfin-dung ermöglicht den Aufbau von Bauteilen mit deut-lich weniger Ressourcen, da die bereits eingesetz-te Bewehrung zusätzlich als Daten- und Energielei-ter verwendet wird. Dies führt zu der bereits erwähn-ten Gewichts- und Installationsersparnis. Durch denEinsatz einer automatisierten industriellen Fertigungergibt sich hier eine vereinfachte Smart-Home-Vorin-stallation von Sensorik und Aktorik, wie am Beispielder Integration von Schaltern, Sensoren und Lich-telementen in Bauteilsegmente erkennbar. Als po-sitiver Nebeneffekt kann zusätzlich die Eigenschafteiner verbesserten elektromagnetischen Verträglich-keit (EMV) und einer geringeren Ab- bzw. Einstrah-lung bei Verwendung einer hochfrequenten Daten-übertragung über die textilen Carbonleiter, insbeson-dere die Carbonrovings, -fasern oder -garne, im Ver-gleich zur Kupferinstallation gesehen werden.

[0047] Das Anwendungsfeld ist durch die möglicheIntegration in verschiedene Matrices offen. Im Fallder Betonbauteilherstellung ist der Einsatz der er-findungsgemäßen Lösung besonders sinnvoll. BeiKombination von Carbonstruktur mit Beton erhält derAnwender ein flexibel einsetzbares und zugleich mul-tifunktionales Bewehrungssystem für Innen- und Au-ßenbauteile, welches den Ansprüchen des Marktesin höchstem Maß gerecht wird. Damit können so-

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wohl eine Statik- und Gewichtsverbesserung sowiedie Nutzung als Daten- und Energieübertragungsele-ment im gleichen System umgesetzt und damit auchder Installationsaufwand deutlich verringert werden.Erfindungsgemäß wird über die Verbindung vonCarbonrovings mit den sensorischen Eigenschafteneiner frequenzmodulierten Übertragungstechnik einSchutz vor ungewolltem externem Eingriff in die digi-tale Datenübertragungsstruktur integriert. Nachträgli-che unerwünschte Bauteilveränderungen lassen sichsomit in Echtzeit auswerten. Neben Betonbauteilenfindet die vorliegende Erfindung gleichermaßen Ein-satz anderen Bauteilen, z. B. aus faserverstärktemKunststoff, wie sie in vielen Gebieten, als Beispieleseien der Fahrzeug- und der Maschinenbau genannt,zum Einsatz kommen.

[0048] Weitere Vorteile liegen darin, dass ein mitWechselspannung beaufschlagter Carbonleiter nichtoder deutlich geringer als andere in Frage kommen-de Materialien elektromagnetisch abstrahlt und sei-nerseits kaum Störstrahlung absorbiert. Dadurch wirdauch das Problem des Übersprechens von benach-barten Leitungen vermindert.

[0049] Mit einer automatisierten Herstellung von Be-tonbauteilen auf einer Fertigteilumlaufanlage könnendie gefertigten und somit bereits vollständig verka-belten Einzelbauteile und Komponenten während derEndmontage zu einem bereits funktionsfähigen Bau-system zusammengefügt werden. Durch die vorlie-gende Erfindung können mit bereits digital ausgestal-teter Infrastruktur (z. B. Smart-Home) vorgerüsteteBauteile schneller und einfacher zu bereits komplettelektrisch erschlossenen Bausystemen führen.

[0050] Denn die Erfindung ermöglicht z. B. im Bau-wesen den Aufbau von Bauteilen mit deutlich weni-ger Ressourcen, da die bereits eingesetzte Beweh-rung zusätzlich als Daten- und Energieleiter verwen-det wird. Dies führt zu der bereits erwähnten Ge-wichts- und Installationsersparnis. Durch den Einsatzeiner automatisierten industriellen Fertigung ergibtsich hier eine vereinfachte Smart-Home Vorinstallati-on von Sensorik und Aktorik (Beispiel Integration vonSchaltern, Sensoren und Lichtelementen in Bautei-le wie Fertigteilsegmente). Als positiver Nebeneffektkann zusätzlich die zuvor erwähnte Eigenschaft ei-ner verbesserten EMV und einer geringeren Ab-/Ein-strahlung bei Verwendung einer hochfrequenten Da-tenübertragung über die textilen Carbonleiter im Ver-gleich zur Kupferinstallation gesehen werden.

[0051] Nachfolgend werden bevorzugte Ausfüh-rungsbeispiele für unterschiedliche Anwendungenmit genauen Dimensionen beschrieben.

Datenübertragung via Carbonfaser:

[0052] Es werden Fasern mit einem spezifischen Wi-derstand von 3 Ohm*mm2/m und einem Leiterquer-schnitt von 20 mm2 (entspricht einem Durchmesserdes Faserbündels von 5 mm - 255.000 Einzelfasern= 42 x 6.000er Garne) eingesetzt. Bei 5 V Signal-spannung und 130 mA Sendestrom entsteht bei 25m Leitungslänge am Ende ein Spannungsabfall vonca. 1 V (entsprechen bei 10 V Sendepegel: 9 V Emp-fangspegel). Das bedeutet, es kommt ein Signal mitnur noch 4 V an, unproblematisch bei einer Punkt-zu-Punkt Verbindung.

Energieübertragung via Carbonfaser:

[0053] Es werden Fasern mit einem spezifischen Wi-derstand von 3 Ohm*mm2/m (Leiterquerschnitt 40mm2, einem Durchmesser des Faserbündels von 7mm, was 510.000 Einzelfasern = ca. 85 x 6.000erGarne entspricht, eingesetzt. Bei 30 V Versorgungs-spannung und einer Leistungsaufnahme von 2,5 Aentsteht bei 25 m Leitungslänge am Ende ein Span-nungsabfall von ca. 9,4 V. Das bedeutet, es liegenam Leitungsende nur noch 20,62 V an. Über die Lei-tung werden somit ca. 23,5 Watt in Form von Wärmevernichtet.

[0054] Für größere Leistungen werden hier daherauch deutlich größere Querschnitte benötigt.

Daten- und Energieübertragung via Carbonfaser:

[0055] Es werden Fasern mit einem spezifischen Wi-derstand von 3 Ohm*mm2/m, einem Leiterquerschnittvon 30 mm2 (entspricht einem Durchmesser des Fa-serbündels von 6 mm - 380.000 Einzelfasern = ca.63 x 6.000er Garne) eingesetzt. Bei einem industriel-len Bussystem mit 30 V Versorgungsspannung, einerangestrebten Leitungslänge von 50 m und einer mi-nimal tolerierten Eingangsspannung der angeschlos-senen Teilnehmer von 20 V ergibt sich ein maxima-ler Nennstrom von 1 A für die vorliegende Installati-on. Bei durchschnittlich 62,5 mA Stromaufnahme je-des Teilnehmers ergibt sich ein Maximalausbau mit16 Teilnehmern. Wird die Leitungslänge auf 25 m hal-biert, kann man das System auch mit dem doppeltenStrom (entspricht auch doppelter Anzahl Teilnehmer)belasten. Alternativ wird bei 50 m Länge der Quer-schnitt verdoppelt, kann dann auch mit dem doppel-ten Strom belastet werden.

Carbonfaser als Sensorelement:

[0056] Bei der Verwendung eines in entsprechen-der Weise in Schleifen bzw. Mäandern gelegtenCarbonleiters als frequenzselektives Sensorelementsieht die Leistungsbilanz deutlich besser aus im Ver-gleich zur reinen Energieübertragung. Hier ist esrecht unwahrscheinlich, dass große Leistungen über

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das Sensorelement übertragen werden müssen. Hiersollen lediglich höhere Spannungen mit darauf mo-dulierten Datenträgern bei Sendeströmen unter 100mA realisiert werden. Bei der Verwendung des Car-bonleiters als bzw. in einem resistiven bzw. kapa-zitiven Sensorelement werden nur geringe Strömedurch das Faserbündel geleitet um eine relative Än-derung (Widerstand bzw. Kapazität) zu detektieren.

[0057] Bei der Verwendung des Carbonleiters alsbzw. in einem Elektromagneten (oder umgekehrtals Stromerzeuger ergeben sich Möglichkeiten fürweitere Anwendungen. So könnte z.B. bei Brückenein Schwingungsdämpfer vorgesehen werden, dergleichzeitig die Energie für die Strukturüberwachungder Brücke erzeugt.

[0058] Der Carbonleiter kann als ein Grundelementfür integriertes induktives Laden mittels Carbonro-vings dienen. Ebenso ist eine Verwendung als in Be-ton integriertes elektromagnetisches Verschlussele-ment vorgesehen. Bei den Anwendungen ist die je-weils aufzubauende Struktur zu prüfen und in derLeistungsaufnahme in Bezug auf entstehende Wär-meenergie zu beschränken.

[0059] Anhand der Beschreibung von weiteren Aus-führungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zu-gehörigen Zeichnungen wird die Erfindung näher er-läutert. Es zeigen:

Fig. 1: Kombinationsmöglichkeiten durch einenmultifunktionalen Einsatz des Carbongarns inmineralischen oder organischen Matrices alsÜbersicht;

Fig. 2: ein Carbongelege in Netzstruktur (Gitter-struktur) nach dem Stand der Technik;

Fig. 3: ein Carbongelege in Netzstruktur (Gitter-struktur) mit Aufbau einer Carbonkabel-Strukturmit Einbindung in das Carbongelege;

Fig. 4: Darstellung eines Bauteilsegments mit in-tegrierter Carbongarndatenstruktur inkl.

schematisch dargestellten Abgriffelementen;

Fig. 5: Aufbau einer Abgriffdose zur Integrationin eine mineralische Matrix zur Verwendung derSchneid-Klemm- oder Durchdringungstechnik;

Fig. 6: Aufbau einer Carbonkabel-Struktur sche-matisch in Beton;

Fig. 7: Kontaktierung mittels über die Stirnseitein den Carbonleiter eingebrachten Dorn;

Fig. 8: Kontaktierung mittels über die Stirnseitein den Carbonleiter eingebrachten gewinkeltenDorn;

Fig. 9: Kontaktierung mittels über die Stirnseitein den Carbonleiter eingebrachten T-Dorn;

Fig. 10: Kontaktierung mittels Durchdringungs-technik;

Fig. 11: Kontaktierung mittels Schneid-Klemm-Technik;

Fig. 12: Anwendung als Sensorelement: kapazi-tiver Sensor;

Fig. 13: Anwendung zum Monitoring von Tem-peratur und Dehnung /Stauchung; und

Fig. 14: Anwendung als Aktor: integrierte Wick-lung als Elektromagnet.

[0060] Fig. 1 zeigt in einer Übersicht die Kombinati-onsmöglichkeiten durch einen multifunktionalen Ein-satz des Carbonleiters, der beispielsweise als Car-bonfaser oder ebenso als ein Carbonroving oder einCarbongarn ausgeführt sein kann, in mineralischenoder organischen Matrices. Der Carbonleiter ist soausgewählt oder mit solchen Eigenschaften ausge-stattet, dass er zur Stromübertragung, zur Daten-übertragung, als Sensorelement und/oder mit Tragei-genschaften ausgestattet ist, d. h. auch als Beweh-rung zum Einsatz kommt.

[0061] Fig. 2 zeigt schematisch in einer Ausfüh-rungsform ein Carbongelege in Netzstruktur (Gitter-struktur) nach dem Stand der Technik, wie es als Be-wehrung beispielsweise in Textilbeton zum Einsatzkommt.

[0062] Die Carbongarne 12, ebenso können Fasernoder Rovings zum Einsatz kommen, sind netzar-tig übereinandergelegt und bevorzugt an den Kreu-zungspunkten verbunden, sodass ein Gelege gebil-det wird, oder die Carbongarne 12 werden verwebt.Es bilden sich Maschenöffnungen 5, in die das Ma-trixmaterial beim Einsatz Carbongeleges 8 als Be-wehrungsmatte eindringen kann. In ihrer Funktion derCarbonfasern 12 als Bewehrungsfasern, bzw. wennsie als Carbongelege 8 eine Bewehrungsmatte aus-bilden, nehmen die Carbongarne 12 Zuglasten auf,die in das textilbewehrte Bauteil bei dessen Einsatzeingetragen werden.

[0063] Fig. 3 zeigt ein weiteres Gelege 10 auf Basisvon Carbongarn 12, das ebenso wie in Fig. 2 in Netz-struktur (Gitterstruktur) ausgeführt ist. Zudem ist einAufbau einer Carbonkabel-Struktur mit Einbindungvon Carbonleitern 22, 22' mit Stoffummantelung alsDielektrikum in das Carbongelege 10 dargestellt. Diehier nicht näher bezeichnete Stoffummantelung dientder Isolierung, aber auch der Fixierung im hier eben-falls nicht dargestellten Matrixmaterial. Damit wird einfunktionalisiertes Carbongarngelege 10 ausgebildet,wobei anstelle von Carbongarn 12 ebenso ein Ro-ving oder in anderer Weise angeordnete Carbonfa-sern bzw. Einzelfilamente vorgesehen werden kön-nen.

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[0064] Fig. 4 zeigt schematisch in einer Ausfüh-rungsform einen Ausschnitt eines Bauteils 6 mit in-tegriertem Carbongelege 10, das vorliegend als eineCarbongarndatenstruktur ausgeführt ist, einschließ-lich schematisch dargestellter Abgriffelemente, hierausgeführt als ein Leerdosenelement 40. Das Leer-dosenelement 40 bleibt frei vom Matrixmaterial 30,das das Carbongelege 10 im Übrigen vollständig ein-schließt. Dadurch werden im Leerdosenelement 40die isolierten Carbonleiter 22, 22' zugänglich undkönnen dort elektrisch kontaktiert werden.

[0065] Fig. 5 zeigt schematisch in einer Ausfüh-rungsform einen Aufbau einer Abgriffdose zur Inte-gration in eine mineralische Matrix, hier ausgeführtals Leerdosenelement 40, bevorzugt zur Verwen-dung der Schneid-Klemm- oder Durchdringungstech-nik. Damit können auf einfache Weise auch isolierteCarbonleiter 22, 22', die Isolation bzw. das Dielektri-kum hier beispielsweise ausgeführt als Stoffumman-telung, kontaktiert werden.

[0066] Die Fig. 6a bis Fig. 6c zeigen einen Aufbaueiner Carbonkabel-Struktur schematisch in Beton alsmineralisches Matrixmaterial 30. Fig. 6a zeigt denAufbau eines Carbonleiters 22, 22' aus dem Car-bonleiter 20, 20' mit einer Stoffummantelung 21 alsDielektrikum, die den Carbonleiter 22, 22' vollstän-dig und elektrisch isolierend umgibt. Die Fig. 6b undFig. 6c zeigen eine Einbausituation in einem Bau-teil 6 aus Matrixmaterial 30, beispielsweise Beton, je-weils in Schnittdarstellung in Ansicht von oben undvon vorn.

[0067] Bei der Darstellung nach Fig. 6b sind die Car-bonleiter 20, 20' unmittelbar in das Matrixmaterial30 eingebunden und damit auch zur Lastabtragunggeeignet. Allerdings müssen hierbei die elektrischenEigenschaften des Matrixmaterials 30 beachtet wer-den, um elektrische Verluste zu vermeiden bzw. ent-sprechend zu berücksichtigen. Sofern als Matrixma-terial 30 beispielsweise Kunstharz, das eine geringeelektrische Leitfähigkeit aufweist und damit gut iso-liert, vorgesehen ist, ist dies unproblematisch. Andersliegt die Sache bei Beton, insbesondere wenn die-ser Nässe ausgesetzt sein und durchfeuchtet werdenkann.

[0068] In Fig. 6c sind stoffummantelte, isolierte Car-bonleiter 22, 22' (vergleiche Fig. 6a) dargestellt. Beidiesen stellt die elektrische Leitfähigkeit des Matrix-materials 30 kein Problem dar, jedoch ist eine Ver-wendung als Bewehrungsmaterial erschwert, da ei-ne unmittelbare Anbindung zwischen Carbongarn 20,20' und Bewehrung 30 nicht problemlos möglich istund die Isolierung 21 die Lastabtragung unterbrechenkann.

[0069] Fig. 7 zeigt schematisch eine Ausführungs-form zur Kontaktierung mittels über die Stirnseite

des Leiters 20, 20' eingebrachten Dorns, eines Kon-taktierungsdorns 50. Da die Kontaktierung über dieStirnseite des Carbongarns 20, 20' erfolgt, die be-dingt durch den Abschnitt ohnehin keine Isolierung21 aufweist, stellt die Isolierung 21 kein Hindernisdar. Hierbei kommt die axiale Durchdringungstechnikzum Einsatz. Bevorzugt besteht der Kontaktierungs-dorns 50 aus Kupfer, der Carbonleiter 20, 20' ausCarbongarn 12, das seinerseits Carbonfasern 7 um-fasst. Diese Materialangaben gelten gleichermaßenfür die Darstellungen in den Fig. 8 bis Fig. 11.

[0070] Fig. 8 zeigt schematisch eine Ausführungs-form zur elektrischen Kontaktierung des Carbonfa-sern 7 umfassenden Leiters 20, 20', der Carbonfa-sern 7 umfasst, mit Isolierung 21 mittels eines überdie Stirnseite in radialer Richtung eingebrachten ge-winkelten Dorns, eines gewinkelten Kontaktierungs-dorns 51. Hierbei kommt ebenfalls die axiale Durch-dringungstechnik zum Einsatz.

[0071] Fig. 9 zeigt schematisch eine Ausführungs-form zur elektrischen Kontaktierung des Leiters 20,20', der Carbonfasern 7 umfasst, mittels über dieStirnseite eingebrachten T-Dorns, eines T-förmigenKontaktierungsdorns 52. Hierbei kommt die axialeDurchdringungstechnik gleichfalls zum Einsatz.

[0072] Fig. 10 zeigt schematisch eine Ausführungs-form zur elektrischen Kontaktierung des Leiters 20,20' mittels Durchdringungstechnik. Ein Kontaktie-rungskeil 53, der für die Durchdringung des Dielek-trikums, der Stoffummantelung 21 geeignet ist, wirdmit seiner Spitze 54 in radialer Richtung in den Car-bonleiter 20, 20', beispielsweise aus Carbongarn 12oder besonders vorteilhaft als Roving ausgeführt, ein-gedrückt und durchstößt dabei die Isolierung 21. DieSpitze 54 schiebt sich zwischen die Carbonfasern7 und stellt damit einen leitenden Kontakt mit die-sen hier. An den Kontaktierungskeil 53, der hierzu ei-ne entsprechende abgewinkelte Lasche 55 aufweist,kann ein elektrischer Leiter angeschlossen und damitder elektrische Kontakt zum Carbonleiter 20, 20' her-gestellt werden. Hierbei kommt die radiale Durchdrin-gungstechnik zum Einsatz.

[0073] Fig. 11 zeigt schematisch eine Ausführungs-form zur elektrischen Kontaktierung des Carbonlei-ters 20, 20' mittels Schneid-Klemm-Technik. Hierzukommt ein Schneiddorn 56 zum Einsatz. Dieser weistSchneidkanten 57 auf, die beidseits auf den isoliertenCarbonleiter 22, 22' mit Stoffummantelung 21 odereiner anderen Isolierung bzw. einem anderen Dielek-trikum aufgeschoben werden. Dabei schneiden dieSchneidkanten 57 das Dielektrikum, die Stoffumman-telung 21, auf und erreichen die Carbonfasern 7 imInneren, die den Carbonleiter 20, 20' bilden. Damitbesteht ein direkter elektrischer Kontakt mit dem Car-bonleiter 20, 20', der über den Schneiddorn 56 elek-trisch kontaktiert werden kann. Hierbei kommt im Un-

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terschied zur vorher beschriebenen Durchdringungs-technik die Schneidklemmtechnik zum Einsatz.

[0074] Fig. 12 zeigt schematisch eine Ausführungs-form zur Anwendung des Carbonleiters 20, 20' ausCarbongarn in einem Sensorelement 60, insbeson-dere ausgeführt als ein kapazitiver Sensor. Hier wirdder Carbonleiter 20, 20' in entsprechender Weise inMäandern verlegt und das Sensorelement 60 gebil-det. Dieses ist geeignet zur Detektierung von Kapa-zitäts- und Widerstandsänderungen bei Berührungoder Verformung und kann z. B. für entsprechendeAnwendungen im Gebäude eingesetzt werden. Da-mit können beispielsweise Steuerungssignale u. a.auch durch Multi-Touch-Gesten gänzlich ohne Schal-ter oder andere elektrische Bauelemente, die ei-nem Verschleiß unterliegen, in Bauteile beispielswei-se aus Beton als Matrixmaterial 30 eingebracht wer-den.

[0075] Bei der Verwendung als resistives oder ka-pazitives Sensorelement werden nur geringe Strömedurch das Faserbündel, insbesondere die Carbon-garnlage 62, die aus den Carbonleiter 20, 20' gebildetwird, geleitet um eine relative Änderung, im Speziel-len des Widerstands bzw. der Kapazität, zu detektie-ren. Die Auswertung der ermittelten Werte erfolgt ineiner Auswerteeinheit 64. Sensorische Eigenschaf-ten einer so bereits in ein Bauteil 6 integrierten Struk-tur bringen ebenfalls einen deutlichen Mehrwert ge-genüber einer nachträglichen Sensorinstallation undeiner häufig damit verbundenen Strukturschädigungoder -schwächung.

[0076] Fig. 13 zeigt schematisch eine Ausführungs-form zur Anwendung des Carbonleiters 20, 20', hierbevorzugt aus Carbongarn, mit dem Ziel, ein Monito-ring von Temperatur und Dehnung bzw. Stauchungin dem Bauteil 6, umfassend das Matrixmaterial 30,zu erreichen, indem die elektrische Leitfähigkeit desCarbonleiters, der hier als Carbonlage 72 ausgeführtist, überwacht wird. Hierzu ist eine Auswerteeinheit74 vorgesehen. Diese ändert sich sowohl mit derTemperatur, als auch im Zuge der Längen- und Quer-schnittsänderung bei Dehnung oder Stauchung. Da-mit können geänderte Temperaturen, beispielsweisebei Ausbruch eines Brands, oder auch erhöhte Las-ten auf das Bauteil 6, wenn es in ein Gebäude einge-baut ist, festgestellt werden.

[0077] Fig. 14 zeigt schematisch eine Ausführungs-form zur Anwendung eines weiteren Carbonleiters,hier im Beispiel aus Carbongarn, als Aktor 80. Ge-zeigt ist eine in das Bauteil 6 integrierte elektroma-gnetische Wicklung 82. Diese besteht aus einer Wick-lung 82, einem gewickelten Carbongarnkörper unterEinsatz von dem Carbonleiter, angeschlossen übereine elektrische Zuleitung 83. Im Inneren der Wick-lung 82 ist ein Kern 84 angeordnet, bevorzugt aus-geführt als eine bewegliche Struktur aus Weichei-

sen. Der Kern 84 kann beispielsweise mit einemelektrischen Schalter, zur Erzeugung von Schwin-gungen (behindertengerechte Signalisierung), einemSchloss oder einem anderen Bauelement für elektro-mechanische Anwendungen verbunden werden undbeispielsweise entsprechende Schaltvorgänge aus-lösen. Die Ansteuerung der Wicklung 82 erfolgt übereine Steuer- und Auswerteeinheit 86, die bevorzugtals µC-basierte A/D-Auswerteeinheit ausgeführt ist.

Bezugszeichenliste

5 Maschenöffnung

6 Bauteil

7 Carbonfaser, Einzelfilament

8 Carbongelege

10 Carbongelege, funktionalisiert

12 Carbongarn

20, 20' positiver/ negativer Carbonleiter

21 Stoffummantelung als Dielektri-kum

22, 22' positiver/ negativer Carbonleitermit Stoffummantelung als Dielek-trikum

30 Matrixmaterial

40 Leerdosenelement

50 Kontaktierungsdorn linear

51 Kontaktierungsdorn gewinkelt

52 Kontaktierungsdorn T-förmig

53 Kontaktierungsdorn für Durchdrin-gung

54 Kontaktierungsdorn für Schneid-Klemm-Technik

55 Lasche

56 Spitze

57 Schneidkante

60 Sensorelement, kapazitiver Sen-sor

62 Carbongarnlage

64 Auswerteeinheit

70 Monitoring von Temperatur undDehnung /Stauchung

72 Carbongarnlage

74 Auswerteeinheit

80 Aktor

82 Wicklung

83 Zuleitung

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84 weichmagnetischer Metallkern;bewegliche Struktur aus Weichei-sen

86 Auswerteeinheit

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlichzur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw.Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

- DE 102016101919 A1 [0003]- DE 102016118711 A1 [0004]

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Patentansprüche

1.  Vorrichtung zur Daten- und/oder Energieübertra-gung über wenigstens eine elektrische Leitung, die imInneren eines ein Matrixmaterial umfassenden Bau-teils angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dassdie elektrische Leitung zumindest aus elektrisch leit-fähigen textilen Garnen, Fasern oder Rovings bestehtund im Inneren des Bauteils (6) angeordnet ist undmit dem mineralischen oder organischen Matrixma-terial (30) fest vergossen ist.

2.  Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei als textileFasern, Garne oder Rovings Carbonfasern (7), Car-bongarne oder Carbonrovings vorgesehen sind, diejeweils einen Carbonleiter (20, 20', 22, 22') ausbilden.

3.  Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Carbon-leiter (20, 20', 22, 22') mit definierten Leitungspara-metern ausgestattet oder ausgewählt sind, diese Lei-tungsparameter sind• spezifischer elektrischer Widerstand,• definierter anwendungsspezifischer Leitungsquer-schnitt,• Abstände zwischen Hin- und Rückleitern zur Defi-nierung notwendiger Kabelkapazitäten,• Erstellung des notwendigen Isoliervermögens zwi-schen Hin- und Rückleiter sowie der umgebenden mi-neralischen oder organischen Matrix,• Vorbereitung der Carbonleiter (20, 20', 22, 22') zurKontaktierung einzelner Bauteile (6) aus dem Ma-trixmaterial (30) und Kontaktierung anzuschließenderNutzelemente.

4.  Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei ei-ne Kontaktierung für wenigstens eines der Nutzele-mente entlang des informationstragenden Carbon-leiters (20, 20', 22, 22') über Kontakte erfolgt, diedurch Schneidklemmtechnik oder axiale oder radia-le Durchdringungstechnik mit dem Carbonleiter (20,20', 22, 22') verbunden ist.

5.  Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,wobei eine Beschichtung des Carbonleiters (20, 20',22, 22') vorgesehen ist, um die mechanische Aktivie-rung alle Filamente durch Anbindung an die Matrixsicherzustellen, sodass der Carbonleiter (20, 20', 22,22') statische Aufgaben übernehmen kann.

6.  Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,wobei der Carbonleiter (20, 20', 22, 22') als ein Sen-sorelement (60) zur Detektierung von Kapazitäts- undWiderstandsänderungen bei Berührung oder Verfor-mung des Bauteils (6) ausgeführt ist.

7.  Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprü-che, wobei der Carbonleiter (20, 20', 22, 22') als einAktor (80) ausgestaltet ist.

8.   Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Car-bonleiter (20, 20', 22, 22') als eine Wicklung (82) aus-geführt und um einen weichmagnetischen Metallkern(4) angeordnet ist, welcher in dem Matrixmaterial (30)integriert ist.

9.  Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprü-che, wobei der Carbonleiter (20, 20', 22, 22') als Be-wehrung für ein Bauteil (6), umfassend das Matrix-material (30), vorgesehen ist, wobei aus dem Bau-teil (6) nach außen reichende und von außerhalb desBauteils (6) zugängliche elektrische Kontakte vorge-sehen und mit dem Carbonleiter (20, 20', 22, 22') ver-bunden sind.

10.    Bauteil, umfassend eine Bewehrung gemäßAnspruch 9 und/oder eine Vorrichtung nach einemder Ansprüche 1 bis 8.

11.    Bauwerk, umfassend Bauteile gemäß An-spruch 10, wobei eine Ausstattung des Bauwerks mitdigitaler Infrastruktur vorgesehen ist, dadurch ge-kennzeichnet, dass die Bauteile bereits mit der Her-stellung mit einer Verkabelung vorbereitet und bei derErrichtung des Bauwerks elektrisch verbindbar sind.

12.  Verfahren zur Übertragung von Daten und/oderEnergie, dadurch gekennzeichnet, dass die Über-tragung mittels einer Vorrichtung nach einem der An-sprüche 1 bis 8 erfolgt.

13.  Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Daten-übertragung über den Carbonleiter (20, 20', 22, 22')und erfolgt, wobei zu der Datenübertragung ein Trä-ger eingesetzt wird.

14.  Verfahren nach Anspruche 12 oder 13, wobeimittels des Carbonleiters (20, 20', 22, 22') eine fre-quenzmodulierte Datenübertragung und eine SNR-abhängige Datenträgerverteilung vorgenommen wer-den, sodass eine Veränderung des physischen Infor-mationskanals detektiert werden kann.

15.  Verfahren zur Auswahlkonfiguration von Car-bonfasern (7), Carbongarnen oder Carbonrovings zurAusbildung einer Carbonstruktur und zur Funktiona-lisierung als Carbonleiter (20, 20', 22, 22') für ei-ne Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einemder Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,dass eine Konfiguration von Parametern vorgenom-men wird, so dass die gewünschte Funktionalisierungfür den jeweiligen Einsatzzweck der Carbonleiter (20,20', 22, 22') erreicht wird, wobei Variationen der fol-genden Eigenschaften des carbonbasierten Grund-materials zum Tragen kommen:◯ Elektrische Eigenschaften: Fasertyp, spezifischerelektrischer Widerstand, Durchmesser der Einzelfil-amente und der sich daraus ergebenden Faserbün-del, Länge der Struktur, Abstand der Leiter, Kreu-zungspunkte, Stromtragfähigkeit;

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◯ Volumenanteil pro Struktureinheit: Anzahl Fasern,Lage der Fasern zueinander;◯ Beschichtung von Faserverbünden: Garn einge-webt in vorgefertigte Strukturen, mit Faden umgarntals isolierende und strukturfestigende Ummantelung,Gummibeschichtung als isolierende und strukturfes-tigende Ummantelung, Epoxidharz, besandet, feuer-beständige Beschichtungen;◯ Matrix-Einbettung: Bauteilebene; Mantelebene;wobei je nach gewünschter Zielapplikation als Grund-anforderungen zumindest die geometrischen Abmes-sungen der Carbonstruktur, die anzuschließendenelektrischen Teilnehmer der Anwendung festgelegtwerden, wobei anhand dieser Einordnung dann dieKlassifizierung der notwendigen elektrischen Kontak-tierung der Carbonstruktur erfolgt.

16.    Verwendung einer Bewehrung, die zumin-dest teilweise aus elektrisch leitfähigen textilen Gar-nen, Fasern oder Rovings besteht, dadurch gekenn-zeichnet, dass über die elektrisch leitfähigen texti-len Garne, Fasern oder Rovings eine Datenübertra-gung und/oder eine Energieübertragung gemäß ei-nem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14vorgesehen sind.

Es folgen 5 Seiten Zeichnungen

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Anhängende Zeichnungen

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