CN110944826B - 用于检查接合表面的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检查基材的接合表面(14)的方法,其中,应借助粘接材料(27)将构件粘接在所述基材的接合表面上,其中,所述方法包括以下步骤:·‑制备至少一个面状的检查织物(20),所述检查织物具有纤维材料(21)和粘接剂底涂(22),·‑将所述面状的检查织物敷设在基材的接合表面的至少一部分上,构件应粘接在所述接合表面上,从而使得面状的检查织物的粘接剂底涂与基材的接合表面接触,·‑面状的检查织物的粘接剂底涂至少部分地固化,以便借助粘接剂底涂使面状的检查织物与基材材料接合地相连,·‑在粘接剂底涂至少部分地固化之后将面状的检查织物剥除,并且通过对已固化的粘接剂底涂与面状的检查织物之间的破裂图像的定性评估和/或通过对在剥除面状的检查织物时测得的剥除力的定量评估来检查所述接合表面。
Description
本发明涉及一种用于检查基材的接合表面的方法和设备,其中,应将构件借助粘接剂粘接在基材的接合表面上。本发明同样还涉及一种在利用所述检查方法的情况下将基材与这种构件粘接的方法。
鉴于其单位重量的强度和刚度,纤维复合材料几乎在任何构件的制备中都是不可缺少的。在此,纤维复合材料主要由两种基本的组分、也即纤维材料和基质材料组成。在由纤维复合材料制备纤维复合零件时,在此通常使纤维材料转变为相应稍后的构件形状,并且随后使引入到纤维材料中的基质材料固化。所述固化在绝大多数情况下通过温度和必要时压力载荷实现。通过固化迫使纤维材料的承载的纤维朝向其预定的方向,并且在此连同固化的基质材料一起构成用于负载转移的集成式单元。
然而可惜的是纤维复合零件相对于各向同性材料在制备过程中具有一些弊端,这是因为纤维复合零件的构件形状通常通过相应的模具构成,而该模具则呈稍后构件形状的阴模的形式。因此,复杂的纤维复合零件则通常由多个不同的构件相互粘接,以便能够制造复杂的几何形状,所述构件要么由纤维复合材料制成要么由各向同性材料组成。
而且在局部损坏时能够通过修复补丁的粘接实现对纤维复合零件的修复,其方式在于,首先在受损部位上去除纤维复合材料的纤维材料和基质材料,并且受损部位由此待用,并且随之粘接上修复补丁,所述修复补丁粘接在所形成的空隙中并且重新填充该空隙。
在该类型的粘接中,至少一个接合配件是由纤维复合材料制成的纤维复合零件,该类型的粘接在认证和校验方面并非是完全无关紧要的。在航空航天领域中洽洽对该类型的粘接提出高标准,以便尤其即使在安全关键的零件中也能满足安全性的要求。在此特殊的挑战在于,仅能有限地实现对粘接部或者说粘接连接的无破坏式检查。当前并不存在无破坏式的检查方法,利用无破坏式的检查方法可以探测粘接部的连接强度。
有鉴于此并且在过去曾经出现的损坏情况下,认证机构针对航空器中的结构粘接剂规定了的特殊规程。那么根据EASA AMC 20-29或FAA AC 20-107b,只有当
a)当通过结构性措施将粘接部的可能的失效限制在不严重的尺寸内(通常通过备选的载荷路径或结构中的冗余,例如通过附加的铆钉)时,
b)当每个单独的粘接的连接部被结构中预估的临界最高载荷加载,以便验证连接部的强度时,或
c)当使用可重复的且可靠的无破坏式检查方法,以便能够利用所述检查方法确保每个单独的连接部的强度时,
与安全性相关的粘接部才是允许的。
在借助粘接修复纤维复合零件时另一主要的弊端在于,待修复的结构已经处于运行中,并且在此可能会与在粘接中不利地影响附着力的建立的介质相互接触。因此,只要修复失效对于航空器的安全性至关重要,则不实施粘接式修复(不额外使用铆钉)。然而为了许可机关同意实施粘接式修复,在验证已经完成的修复的可能性方面进行了大量研究。
由文献US 7,736,452 B2中已知一种用于无破坏式地检查粘接连接部的方法,其中,在此间接地实现对粘接连接部的检查。纤维复合零件上的受损部位在第一步骤中被修复并且使用相应的粘接上的修复补丁。随后,在修复部位的较为邻近的周围粘附上测试补丁,所述测试补丁具有与维修补丁相同的性质和相同的材料,并且在粘接连接部固化之后加载相应的力。如果测试补丁经受住被施加的力,则说明修复后部位的稳定性。
由文献US 2008/0011075 A1已知一种用于纤维复合零件和可能的粘接连接部的品质监控的方法,其中,在此将金属结构粘附在纤维复合零件的表面上。所述金属结构在此具有预定断裂点。在粘接连接部固化之后,金属结构则被力加载。如果预定断裂点断裂,则与纤维复合零件的粘接连接部有效。相反,如果不是预定断裂点断裂,而是粘接连接部断裂,则粘接连接部并不是无缺陷的。
然而不仅在纤维复合零件中存在无破坏地检查旨在实现基材与其他构件之间的附着力增强的接合表面的追求。表面涂层也是广泛传播的方法,以便满足特定的技术或美学功能。例如在民用航空中使用相应的铝制结构,所述铝制结构经受侵蚀性介质并且因此特别强地面临腐蚀侵害的威胁。因此,所述铝制结构经受电化学处理,并且随后被表面涂层包封。这一底涂层一方面用作防腐保护,并且另一方面用作针对随后的粘接工序的附着力增强的层。
然而当前不存在能够对基材的接合表面在粘接部位的有效性方面直接进行检查的方法,所述基材由纤维复合材料或由其他材料制成。因此本发明所要解决的技术问题在于,提供一种改进的方法,利用所述方法能够对基材的接合表面、尤其作为基材的纤维复合零件的接合表面针对粘接部直接进行检查,并且能够在准备阶段确保该类型的粘接部的有效性。
根据本发明,所述技术问题通过根据权利要求1所述的用于检查接合表面的方法、根据权利要求12所述的用于粘接构件的方法以及根据权利要求16所述的设备解决。
根据权利要求1建议了一种用于检查基材的接合表面的方法,其中,在基材的接合表面上应借助粘接材料或粘接剂粘接一个或多个构件。
所述基材可以涉及由纤维复合材料构成的纤维复合零件,其中,所述纤维复合零件可以是由纤维复合材料制成的。该类型的纤维复合材料通常具有纤维材料和基质材料。此外,这种纤维复合材料还可以包含有应用针对性的其他成分或者说材料。
然而所述基材还可以涉及其他、尤其各向同性的材料,例如聚合物材料、金属材料、有机材料和/或无机材料。作为聚合物材料可以使用例如热固性塑料(环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基酯、酚醛树脂)、弹性体(橡胶、聚硫化物、有机硅、聚氨酯)、热塑性塑料(聚醚酮酮、聚酰胺、聚酯等)。作为金属材料或合金尤其考虑钢、铝、钛、镁、有色金属等。作为有机材料尤其可以使用骨质、木材和牙齿。作为无机材料尤其可以考虑气体、水泥、陶瓷、石材。在此,基材可以恰好不是由纤维复合材料制成的纤维复合零件。
构件在此可以由与基材相同的材料构成或具有这种材料。然而还可以考虑的是,构件由如上所述的其他材料构成或具有这种材料。可考虑的、在民用航空中频繁出现的组合是,在由纤维复合材料制成的基材上应粘接由金属材料制成的构件。然而所述构件可以涉及包含这样一种材料,所述材料本身即包含粘接材料、例如表面涂层、包封部或漆料。在此尤其可以考虑的是,预浸料(纤维复合材料的预浸渍的纤维材料)直接安置在粘接剂底涂上并且固化,其中,预浸料的基质材料则形成粘接剂的性质。
为了能够直接并且基本上无破坏式地检查接合表面,根据本发明建议,首先制备至少一个面状的检查织物,所述检查织物包含纤维材料和粘接剂底涂。在此,粘接剂底涂是指通常为了准备待建立的粘接剂连接而被敷设在接合表面上的材料。在此,在粘接剂底涂固化之后就应该将粘接剂敷设在粘接剂底涂上,从而使粘接剂底涂成为介于一侧构件与另一侧粘接剂之间的连接结构(Bindeglied)。粘接剂底涂(也被称为底漆)在此用于为稍后的粘接准备接合表面。
在本发明的范畴内,这种粘接剂底涂还可以是成为纤维复合材料的组分的基质材料。在一种优选的实施方式中基材由纤维复合材料构成,在此实施方式中粘接剂底涂可以是制成纤维复合构件的基质材料或者是这样的基质材料,所述基质材料是制成修复补丁的纤维材料的组分。然而粘接剂底涂也可以是应构成稍后的粘接剂层的材料。粘接剂底涂和将稍后的构件粘附在纤维复合零件上的粘接剂在此可以是相同的材料。
面状的检查织物在此还包含纤维材料,所述纤维材料优选由织物或非织物的原材料制成,并且所述纤维材料优选由线状结构加工成面状结构。在此,面状的检查织物的纤维材料可以在粘接剂底涂的未固化状态下具有柔软的状态。其在此尤其可以涉及纤维材料,所述纤维材料也用于纤维复合零件的制备并且由此是纤维复合材料的组分。然而还可以考虑的是,纤维材料例如是金属材料,这原则上不是柔软的,然而在拉力和/或压力载荷下发生变形。
在此通常这样制备面状的检查织物,即,所述面状的检查织物的纤维材料已经被粘接剂底涂浸润并且由此立即提供给后续的步骤以供使用。然而还可以考虑的是,纤维材料和粘接剂底涂独立地制备并且随后在后续还需阐述的方法步骤中被组合。
在下一步骤中,此时则将面状的检查织物敷设在基材的接合表面的至少一部分上,从而使得面状的检查织物的粘接剂底涂与基材的接合表面接触。换言之,接合表面由此被面状的检查织物的粘接剂底涂浸润或者说填占。如果检查织物的纤维材料已经具有粘接剂底涂(作为整体单元),那么粘接剂底涂和纤维材料通过一个步骤被敷设在基材上。如果这两个组分相互独立地存在,则要么首先敷设粘接剂底涂并随后敷设检查织物的纤维材料,要么首先敷设检查织物的纤维材料并随后在纤维材料上敷设粘接剂底涂。在第二种情况下,粘接剂底涂被引入检查织物的纤维材料中并且随后由此构成纤维材料与接合表面之间的界面。
在下一步骤中,在面状的检查织物敷设在接合表面上之后,面状的检查织物的粘接剂底涂固化,以便面状的检查织物借助粘接剂底涂在接合表面的区域中与基材材料接合地连接。粘接剂底涂的固化则根据所使用的底涂例如在室温下或者在相应的温度下并且必要时压力载荷下完成。根据所使用的粘接剂底涂,所述底涂被相应的、专用的基层活化,由此开始进行固化过程,并且粘接剂底涂部分或完全固化、也即加固。在粘接剂底涂的固化或者说聚合反应之后,面状的检查织物借助粘接剂底涂在接合表面的区域中与基材牢固地连接或者说粘接。
在面状的检查织物的粘接剂底涂固化之后,将面状的检查织物从接合表面剥除,优选方式为,将基本上垂直于接合表面并且沿远离接合表面的方向的力施加在检查织物上。随后则可以通过破裂图像的定性评估(或者说质量评估)或通过在剥除面状的检查织物时测得的剥除力的定量评估来检查接合表面。在此,剥除力随着时间和/或随着行程或者说检查行程而变化,由此构成关于时间和/或关于行程的剥除力曲线。对破裂图像的评估在此是指,研究零件的接合表面或研究检查织物或对二者均进行研究。
当粘接剂底涂不足地或者说不充分地结合在基材的接合表面上时,底涂相对于基材分离,由此识别出接合表面的有缺陷的预处理。当表面预处理正确时,则在底涂内部出现内聚的材料分离,其中,在此通常粘接剂底涂的化学键断裂,并且由此形成具有高表面能的整洁的表面。鉴于织物的几何上的确定性,同时构成均匀且特定的表面形态,所述表面形态是针对后续粘接的理想基础。在接合表面的准备和预处理方面,确保这种表面未被污染、未受“人为因素影响”,并且确保接合能力。因此,后续利用在底涂上施加粘接剂所进行的接合步骤以最高的工艺可靠性进行,这是因为接合表面的状态是已知的。
在完美的且品质合格的接合表面中,粘接剂底涂均匀地且通常整面地附着在基材上,并且显示出底涂在基材上的正确接合。在此,在剥除面状织物时的断裂以底涂中内聚破坏的方式发生,从而使得与基材的界面经受住所施加的载荷。在此情况下得出,接合表面符合粘接部的品质要求。
然而如果破裂图像具有这样的区域,在所述区域中在接合表面上局部不再存在底涂,则底涂未整面地粘附在接合表面上,这要么是因为底涂在接合表面上不充分的粘附,要么是因为位于其下的基材还具有其他损伤,在撕下检查织物时所述损伤被连带撕掉。在这两种情况下,接合表面的品质对于稍后的粘接都是不足的,这能够根据在接合表面上以及在被剥除的检查织物上的破裂图像利用肉眼识别。在此在评估破裂图像时不需要解释或思考,因为对破裂图像的均匀性的明确判断已经足以断定高价值品质的接合表面。对于不均匀的破裂图像,该破裂图像尤其具有在破裂面中的损伤,应判定为针对稍后的粘接来说不足的或者说不完美的接合表面。
作为备选或补充,还可以定量地进行接合表面的评估,其方式在于,在面状的检查织物的剥除过程中检测剥除力。如果剥除力(例如以力/行程的比例关系)基本上均匀地和/或在额定范围内和/或在规定的阈值以上变化,则判定为完美且被允许的接合表面并同时判定为完美的机械性质。然而如果剥除力具有显示出明显力峰值的不均匀性,和/或剥除力完全或部分地在规定的剥除力以下变化,则判定为接合表面的不足的品质(根据粘接剂底涂的不同将平均值的30%以下或20%以下的振幅视作是规则的)。在此,通常在剥除力曲线中局限于局部的力峰值是这样的区域,在所述区域中粘接剂底涂不发生底涂内部的内聚破裂,而是在所述范围中粘接剂底涂不粘附在接合表面上或者在所述范围中撕掉接合表面的基材的碎屑。
在此,能够出现的最大剥除力通过在额定状态下织物结构和粘接剂底涂的内聚断裂强度定义。当出现缺陷时,剥除力则在相应的部位上总是小于在纯粹内聚破坏的粘接剂底涂中所出现的最大剥除力。剥除力在所述区域内下降到低于预定的阈值(例如除去公差低于最大剥除力),这能够被立即识别到并且能够推断出不足的接合表面。如果剥除力在整个检查行程中都低于阈值,则判定为粘接剂底涂的缺陷。
由此能够实现的是,基于破裂图像的定性评估和/或剥除力的定量评估,对处于下方的接合表面在其性质方面进行检查,以确保可靠的粘接部,而不必实际粘接上构件,或者不必将相应的暂时的检查体布置在接合表面的附近。事实上相反,接合表面可以被直接检查,其中,当获得接合表面的正面评价的同时还能够实现的是,该接合表面此时为稍后的粘接提供了理想的基础和相应的表面能。由此原则上通过该方法还可以符合规定地影响后续粘接的品质并且确保该粘接的品质。
此外,还可以实施针对整个粘接过程的间接的工艺监控。例如可以将检查织物作为检查体、例如布置在修复部位旁的额外的粘接剂底涂上,所述检查织物则在稍后的时间点经使用之后被剥除。
此外,利用本发明还能够实现的是,不依赖于所敷设的粘接剂底涂的量来建立可再现的且准确定义的底涂层(层厚、形态),这是因为多余的底涂材料连同检查织物一起被去除。此外,根据本发明的方法还允许将粘接剂底涂以膜和/或箔形式敷设在基材上,从而使得诸如颗粒尺寸或粘接剂底涂的黏度的限制仅发挥无关紧要的作用。此外,粘接剂底涂在基材上的接合还可以在活化过程中整面地以机械方式检查。此外,本发明还允许基材在继续加工之前几乎无限制的存储,这是因为粘接剂底涂的涂覆和活化(或者说激活)在时间上是相互独立的。在此,通过去除检查织物来实施活化。
根据粘接剂底涂的不同,可以采用不同的固化机制。例如,化学反应,比如聚合反应(加聚反应、缩聚反应、链式聚合反应),物理反应(固化、蒸发、溶胶-凝胶工艺)或通过压力载荷的附着。总体上可以在规定的条件下、例如温度或压力/真空或者在粘接剂专属的条件下(例如UV辐射)实施固化。此外,通过粘接剂底涂的固化可以实现在基材上牢固的附着。原则上,检查织物的纤维材料可以嵌入粘接剂底涂中,从而使纤维材料之上和之下都存在粘接剂底涂。然而还可以考虑的是,纤维材料放置在粘接剂底涂上,从而使检查织物的纤维材料上方不存在粘接剂底涂。
在剥除检查织物之后所形成的接合表面的特征可以是隆起区域和凹陷。在此,凹陷是纤维印痕,而隆起区域是检查织物的纤维材料的开放面。此外,这对随后粘接膜的施加也是有利的,这是因为由此可以借助真空对粘接剂膜下方的区域排气。由此不在粘接剂下方形成气穴,否则这会导致粘接接缝中的孔隙。当在光滑的表面上施加粘接膜时,通常出现该技术问题。嵌入的气泡不能通过施加真空被去除,因为气泡的抽真空路径被附着的粘接剂堵塞了。然而粘接剂膜并不封闭检查织物的纤维材料形成的通道,这是因为所述膜主要放置在多个隆起区域上。
隆起部同时也用作间距保持件。在零件接合过程中,保持固定的粘接层厚度是非常重要的。这通常通过在粘接剂中或在零件上的间距保持件实现。间距保持件用于使得零件仅能以规定的程度靠近。然而所述间距保持件通常是粘接部中的薄弱点,这是因为间距保持件在机械载荷中导致应力集中。由纤维印痕形成的隆起区域可以用作间距保持件,因为不能将粘接剂从纤维印痕的凹陷中完全挤出。然而隆起区域并不是异物,而是保留在基材上的粘接剂底涂的一部分,并且由此不形成应力集中。
在有利的实施方式中,面状的检查织物的纤维材料是开孔的纤维材料或开放的面状结构,在所述面状结构中纤维材料的平行延伸的纤维并不直接接触。因此,粘接剂底涂嵌入由此形成的纤维材料的间隙中,从而可以在纤维材料的各独立纤维之间形成底涂中的内聚破坏。在此,通过选择织物结构(例如孔径)可以有应用针对性地影响破裂图像并且进而影响表面品质。
孔径尤其影响剥除力和在破裂图像方面对该方法的解析。织物的多孔性最终还决定了多少比例的破裂表面是内聚破坏的,并且多少比例的破裂表面具有纤维的印痕或者说织物的材料的印痕。通过多孔性的相应选择,最终确定面状结构的以百分比计的空隙。
在一种有利的实施方式中,借助摄像头拍摄固化的粘接剂底涂与面状的检查织物之间的破裂图像,其中,随后借助图像评估单元可以由拍摄的图像数据自动地判定均匀或不均匀的破裂图像。在此,在撕裂之后借助摄像头对接合表面或面状的检查织物或对二者一起进行拍摄,以便由此在撕掉面状的检查织物之后获取破裂图像的图片。随后可以借助图像评估单元判定破裂图像是否均匀,也即粘接剂底涂是否整洁地且无缺陷地内聚破坏,或者破裂图像是否是不均匀的并且包含相应的缺陷点,在所述缺陷点中粘接剂底涂不工整细致地或者说未按规定附着在接合表面上。
此外,利用相应设置的图像评估单元还能够确定粘接剂底涂是否整面地附着在基材的接合表面上。那么可以考虑的是,在无缺陷的接合表面中,整个粘接剂底涂的第一部分整面地、也即没有空穴或缺陷点地附着在基材的接合表面上,与此同时,整个粘接剂底涂的第二部分保留在检查织物上。借助图像评估单元随后能够判定,粘接剂底涂是否整面地附着或者保留在基材和/或检查织物的接合表面上,其中,如果是的话则能够判断为无缺陷的接合表面。
为此例如完全特别有利的是,根据基材的颜色或基材的接合表面的颜色选择粘接剂底涂的颜色,以便获得在基材的接合表面的颜色与粘接剂底涂的颜色之间尽可能大的对比度。通过尽可能大的对比度能够在破裂图像内更好地识别并且更容易地确认缺陷点。
此外可以这样选择颜色,即,所述颜色根据检查织物或者说面状的检查织物的纤维材料的颜色被选定,以便更好地识别出不规则性或者说在面状的检查织物上的破裂图像的缺陷点。
此外还有利的是,借助力传感器检测在剥除面状的检查织物的过程中的剥除力,其中,借助力评估单元可以由测得的剥除力判定均匀或不均匀的力曲线。而且由此能够实现破裂图像的分析或评估过程的自动化。作为备选或补充,借助力评估单元能够由测得的剥除力判定剥除力是否完全或部分在阈值以下变化,这作为定量评估能够判定为有缺陷的接合表面。
图像评估单元以及力评估单元在此能够以软件模块的形式在数字计算单元中运行,其中,计算单元随后则与摄像头或力传感器在信号技术上连接。
在另一种有利的实施方式中,面状的检查织物在粘接剂底涂固化之后被额外地调制,以便使所述粘接剂底涂额外地受到外部影响。为此对检查织物在预定的时间段内施加预定的检查温度和/或在预定的时间段内与介质相连,其中,只有在调制之后才剥除检查织物。所述介质在此可以在较短的时间段内穿过薄膜扩散至界面,从而能够形成用于连接的临界情形并且利用其进行检查。由此可以推断出粘接部在真实运行中的载荷,从而由此与仅单纯检查接合表面相比还能够实现更广泛的检查。在此,检查织物的(敞露的)粘接剂底涂尤其与介质相连并被调制。
在剥除检查织物时,检查织物在破裂的粘接剂底涂的表面遗留印痕。由此一方面增大表面,这有利于稍后的粘接工艺。另一方面,这负责粘接剂底涂与粘接剂之间的机械固定(形状配合),这同样在强度方面是有利的。
由此例如可以考虑且有利的是,制备一种检查织物,其纤维材料被构造为,在剥除之后纤维材料的纤维保留在粘接剂底涂中的印痕具有底切(或者说凹部)。
在另一种有利的实施方式中提供一种检查织物,所述检查织物的纤维材料具有等距的栅格,由此使得保留在底涂的表面上的印痕具有定义的网格。这简化了例如对缺陷的视觉评估和定量,因为在表面中表现出测量栅格的形式。
在另一种实施方式中还可以考虑的是,粘接剂底涂的整个表面完全内聚式破坏。在此,检查织物的纤维材料与底涂之间的附着力必须大于为底涂的内聚破坏所需的力。在这种情况下,检查织物遗留下完全内聚破坏的表面。检查织物的纤维材料可以例如以机械、物理和/或化学方式被预处理,以便使纤维材料粗糙化(以便调整为有利于构件粘附力的表面状态),并且由此提高底涂在纤维材料上的附着力。对于机械预处理的示例在于:喷砂、打磨,对于物理预处理的示例在于:等离子体处理、电晕处理、火焰处理。对于化学预处理的示例在于:蚀刻、氟化、涂层、利用酸或碱或其他改变表面的物质的处理。纤维材料的粗糙化额外地增大了底涂的自由表面,由此实现了粘接膜的进一步更好的附着。
在另一种有利的实施方式中,纤维材料的纤维还设有特殊的涂层,所述涂层用作附着力增强剂。所述涂层可以在剥除检查织物之后保留在底涂的表面中的纤维印痕的区域中,并且在之后的粘接中承担功能性任务或者例如改进在粘接剂上的附着或例如发挥用于稍后的粘接层的裂纹捕捉作用。
根据本发明,粘接剂底涂首先完全固化,随后剥除面状的检查织物。由此,检查织物可以直至对基材的继续加工为止都保留在基材的接合表面上,并且由此保护接合表面免受污染。然而还可以考虑的是,在检查织物剥除之前,粘接剂底涂仅部分固化。由此可以改善在剥除之后得到工整细致地内聚破坏的表面的概率,并且粘接剂底涂的剩余反应活性可以实现与随后敷设的粘接剂的更好的粘接。
通过粘接剂底涂的内聚破坏形成了具有高表面能的反应性表面,由此更好地粘附稍后粘接的零件。
为了实现保留的粘接剂底涂的规定层厚,可以使用间距保持件。在最简单的情况下,纤维材料的纤维或纤维材料本身就是间距保持件。然而还可以考虑的是,检查织物具有额外的间距保持件,以便达到保留在基材上的粘接剂底涂的预定层厚。这种间距保持件可以集成在纤维材料中,或者可以是基材与检查织物的纤维材料之间的粘接剂底涂的组分。这种间距保持件可以是额外的面状结构(例如薄的无纺布垫、网络和/或凸结)或多个均匀分布的实体、例如具有规定尺寸的球体。包含在粘接剂底涂中的间距保持件在此保留在基材上所残留的粘接剂底涂中。
此外,所述技术问题还通过根据权利要求12所述的用于在基材上敷设材料的方法解决,其中,首先借助上述方法检查接合表面。如果对接合表面的检查结果是正面的,也即在破裂图像中不存在不规则性或者未识别到在剥除力中的不规则性,那么在面状的检查织物被剥除之后所残留的粘接剂底涂上敷设有材料。
所述材料可以是粘接剂、粘接剂连同待接合的构件和/或是涂层(例如漆料)。
在一种实施方式中,基材是纤维复合零件,所述纤维复合零件由具有纤维材料和基质材料的纤维复合材料制成。
然而所述基材还可以涉及其他、尤其各向同性的材料,例如聚合物材料、金属材料、有机材料和/或无机材料。作为聚合物材料可以使用例如热固性塑料(环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基酯、酚醛树脂)、弹性体(橡胶、聚硫化物、有机硅、聚氨酯)、热塑性塑料(聚醚酮酮、聚酰胺、聚酯等)。作为金属材料尤其考虑钢、铝、钛、镁、有色金属等。作为有机材料尤其可以使用骨质、木材和牙齿。作为无机材料尤其可以考虑气体、水泥、陶瓷、石材或其混合物。在此,基材可以恰好不是由纤维复合材料制成的纤维复合零件。
在另一种有利地实施方式中,尤其在纤维复合零件作为基材的情况下,所述材料是粘接材料,其中,借助在面状的检查织物被剥除之后残留的粘接剂底涂上敷设的粘接材料接合构件。为此,在残留在接合表面上的粘接剂底涂上可以敷设粘接剂,所述粘接剂随后则与构件形成接触,并且随后固化,以便由此实现牢固的粘接剂连接。然而还可以考虑的是,粘接剂和构件被同时敷设并且接合,例如在构件是预浸料的情况下,在所述预浸料中基质材料已经被引入纤维材料中。然而所述构件可以涉及包含这样一种材料,所述材料本身即包含粘接材料、例如表面涂层、包封部、预浸料或漆料。
如在用于检查接合表面的方法中一样,在检查接合表面之前对用于粘接的接合表面进行预处理,其方式在于,为此例如将受损的材料通过铣削或切割从纤维复合零件中去除。在已受损的待修复部位被干净工整地预处理之后,随后则利用上述方法检查接合表面并且随后粘接构件。
如果待接合构件是修复补丁,则例如可以考虑的是,在已受损的待修复部位的区域中在纤维复合零件中设置表面修整部其中,基于所述表面修整部的横截面制造与其相适配的修复补丁。随后同样利用上述方法检查所述表面修整部,如果接合表面的检查结果是正面的,就在表面修整部中粘接修复补丁。
此外,所述方法还利用根据权利要求16所述的用于检查基材的、尤其纤维复合零件的接合表面的设备解决,其中,所述设备具有摄像头和图像评估单元和/或力传感器和力评估单元,并且构造用于实施如上所述的检查方法。摄像头和图像评估单元在此用于定性评估,相较而言,力传感器和力评估单元则用于接合表面以及底涂材料的定量评估。
基于对接合表面的定性评估和定量评估,则能够推导出接合表面是否充分适宜进行粘接,或者是否必须实施其他预备的措施。
借助附图示例性地进一步阐述本发明。在附图中:
图1a-图1c示出用于检查的主要方法步骤的示意图;
图2示出以检查为基础的修复的示意图;
图3示出检查的实施例;
图4示出破裂图像的宏观示意图。
图1a-1c以示意图示出检查方法的可能的流程。在第一步骤(a)中,首先提供呈纤维复合零件10形式的基材,所述基材由多层的纤维材料11组成。在此以横截面示出的纤维复合零件10具有应被修复的损伤12。该损伤12在此在多个纤维材料层11的范围内延伸。
在接下来的步骤(b)中,纤维复合零件10的受损的区域12被去除,其方式在于,在纤维复合零件10中大面积地开出表面修整部13。
旨在去除受损区域12的表面修整部13在此可以手动或机械式地开设,这通常也被称为表面预备。随后进行表面预处理,这可以例如借助打磨、喷砂或铣削完成。该过程还可以包含清洁过程或活化过程(例如借助等离子体)。第二步骤(b)的产物就是应随后设置在修复补丁中的接合表面14。该接合表面14在步骤(b)之后被预备成这样的程度,即能够开始粘接步骤。根据本发明,目前则实施对接合表面14的检查,以便确保粘接的有效性。
为此在步骤(c)中将面状的检查织物20放置在表面修整部13的接合表面14上,其中,面状的检查织物20具有被粘接剂底涂22浸渍的纤维材料21。
面状的检查织物可以在边缘区域中卷边,以便形成用于后续剥除的接片23。为了避免接片23粘连在检查织物20上,可以在接片23与检查织物之间设置分隔膜24。还可以考虑的是,借助贴放在纤维复合零件10上的边缘区域中的分隔膜形成接片,所述接片阻止粘连。
在检查织物20施加在接合表面14上之后,检查织物在接下来的步骤(d)中加固、也即固化。为此,检查织物20受到热量和必要时压力的载荷。对施加的面状的检查织物20的处理最终取决于以何种方式和类型固化检查织物20的粘接剂底涂。如果被用作粘接剂底涂的是基质材料,该基质材料相当于纤维复合零件的基质材料或相当于稍后的粘接的粘接剂,则通常使检查织物受到相应的温度和压力载荷,也就是说例如在针对纤维复合技术常见的真空构造中在更高的温度和压力下一样。
在此之后的可选的步骤中,针对后续的检查对检查织物进行调制,其方式在于使检查织物以期望的检查温度加载和必要时被介质加载。所述介质例如可以是水或其他材料,纤维复合零件与所述其他材料定期接触。所述介质能够在较短的时间段内穿过薄膜扩散至界面。由此在介质和温度影响下进行后续的检查,从而还能够形成用于连接的临界场景。
在随后的步骤(e)中则借助接片23将检查织物20相对于接合表面14剥除,这可以手动或机械式完成。整个检查面、也即接合表面14还能够以规定的宽度被多个面状的检查织物占据,所述检查织物被逐一地剥除。由此可以测量基于织物宽度而言的可比较的剥除力。在此可以根据要求规定基于纤维方向而言的剥除角度、剥除速度和剥除方向。
在一种有利的实施方式中,纤维织物的条带的边缘被实施为,避免条带被撕毁。为此尤其可以考虑的是,条带在边缘上热封或例如具有织物边缘。
在正常情况下,在剥除检查织物时发生粘接剂底涂中的内聚的破裂,由此在接合表面14上残留粘接剂底涂的一部分并且形成规定的、整洁且针对后续的粘接备用的表面。如果在剥除检查织物20之后,判定整个底涂均匀、完全且无缺陷地附着在接合表面14上,则粘接剂底涂在检查织物的整个表面上都发生内聚的破裂,这能够推导出纤维复合零件10的边界面经受住了所施加的载荷。在此情况下,粘接剂和修复材料可以直接施加在具有经底涂处理的接合表面14上。
然而如果破裂图像具有不规则性、损伤或缺陷,则存在不充分地预备或者说预处理的接合表面14,在所述接合表面上不能实施可靠的粘接。在破裂图像中示出的该类型的形成的缺陷能够在步骤(f)中被识别。在此,示意性地示出已剥除的检查织物,所述检查织物在第一区域25中不仅包含本应粘接在接合表面14上的粘接剂底涂22的部分,而且还包含纤维复合零件10的部分,从而在破裂图像中在区域25中形成不规则性或者说缺陷点。在该区域中,接合表面14的基底是不足够稳定的,因此由于粘接剂底涂22在接合表面14上的粘附形成了与总体上在纤维复合零件10的区域25中的相比更大的粘附。由此在区域25中的预处理是不足的。
相反在另一区域26中,粘接剂底涂22则未充分粘接在接合表面14上,这同样判定为对接合表面14的表面预处理不充分。而且在破裂图像中在区域26中不仅在纤维复合零件中而且在检查织物中都形成利用肉眼可立即识别出的不规则性或缺陷点。
由此根据破裂图像能够实施用于检查接合表面14的定性评估,其中判定破裂图像例如在接合表面14上是否具有缺陷点或不规则性,所述缺陷点或不规则性表明粘附的粘接剂底涂未完全附着在接合表面14上。
作为备选或补充,剥除力(F)还可以在剥除检查织物20时被检测并且由此在检查行程上被截取,并且这在步骤(g)中示出。区域25和26在此是步骤(f)中的区域25和26,破裂图像在所述区域中具有相应的缺陷点。在所述区域中剥除力骤然下降,这是由于粘接剂底涂的缺陷附着或纤维复合零件的纤维复合材料的缺陷附着导致的。而且在此还可以通过与均匀的剥除力的偏差来判断相应的缺陷点。由此可以实现的是,接合表面不仅直接在其旨在粘接的性质方面被检查,而且在成功检查的同时还为后续粘接做好预备,从而构成规定的粘接面,在所述粘接面上能够按规定地确保相应的粘接。
在图2中在此示出图1a-图1c中所示的纤维复合零件10的修复。在实施图1a-1c的检查步骤之后,粘接剂底涂22的一部分残留在纤维复合零件10的接合表面14上。在所述粘接剂底涂上则敷设用于修复的相应的粘接剂27,其中,随后则将修复补丁28安置在表面修整部中。修复补丁28在此同样可以是纤维复合材料。粘接剂层27在此可以与修复补丁28同时以预浸料的形式被置入。
可选地,可以在次级检查区域29中布置检查织物20的收边和/或粘接剂27连带检查纺织品的收边。由此可以检查粘接剂在底涂上的接合。此外,该区域还用于底涂在纤维复合零件以及粘接剂在底涂上的接合的长期检查。为此,检查纺织品保留在相应的材料(底涂或粘接剂)中,并且在稍后的时刻最先被剥除。同时可以为次级检查区域涂漆,从而使次级检查区域在视觉上和空气动力学上不具影响。
然而还可以考虑的是,借助检查织物检查粘接剂27在修复补丁28上的接合。为此,在期望的区域下方设置分隔膜,粘接剂设有检查织物并且在其上方敷设修复补丁。在修复补丁固化之后,该区域通过分隔膜相对于零件隔离。随后检查织物从隔离的区域中剥除,其中,粘接剂与位于上方的修复层的交互界面受到载荷并且由此被检测。由此能够检查连接系统的所有交互界面、也即零件-底涂、底涂-粘接剂和粘接剂-修复补丁。然而还可以考虑的是,借助检查织物检查粘接剂27在修复补丁28的材料上的接合。为此,在补丁旁边为某一区域设置分隔膜,粘接剂设有检查织物并且在其上方敷设修复补丁的材料。在修复补丁固化之后,该额外的区域通过分隔膜相对于零件隔离。
在次级检查区域29中的所有检查体都能够要么直接在修复之后(或者在必要时进行的调制之后)被检查,要么在稍后的时间点才被检查,以便实施长期检查。在实施长期检查之前同样可以对检查区段进行调制。
在次级区域29中的检查体可以利用实际的粘接直接相连,或者通过凹缺/间隙相互隔离。
为了在零件制备或粘接过程中的工艺监控,可以制备具有监控连接的伴生样本,所述监控连接用于验证工艺和在零件上的正确的粘接接合。为此,除了正规的接合配件之外还构造了检查连接,如图3所示。在所述检查连接中使用了第一检查体31和第二检查体32,其中,在第一检查体31上布置第一检查织物33并且在第二检查体32上布置第二检查织物34。第一和第二检查体借助其两个检查织物相互接合,其中,在所述两个检查织物之间布置有分隔膜35。在接下来的步骤中,实施本应制备的零件和检查连接30的正规粘接,从而在一个工艺步骤中实施监控粘接连同实际的零件粘接。
随后,借助分隔膜35将监控连接30的两个接合配件31和32隔离,其中,随后如上所述地通过施加剥除力将检查织物33、34分别各自相对于两个检查体31和32剥除。随后,两个检查体能够通过其接合表面的定性和/或定量评估被检查,其中,检查结果反映已完成的零件结合的接合工艺。
在此可以考虑的是,检查连接30不涉及监控生产,而涉及应建立的零件连接,其中,在第一步骤中,两个接合配件如在检查连接中那样相互接合,并且随后检查织物相对于两个接合配件31和32剥除。如果被剥除的接合表面或者说检查织物的两个破裂图像被检查没有问题,则可以在接下来的步骤中借助粘接剂层将两个接合配件相互粘接。检查织物具有的要求在于,在撕掉时将规定大小的力传递至粘接剂底涂上或接合表面上,并且由此遗留薄的底涂层,所述底涂层的表面整洁并且在后续的粘接工艺中是具有接合性能的。然而为了检查织物在较低的力耗费下手动地从表面上撕掉,可以如上所述在具有规定宽度的狭窄条带中实现去除。对检查织物所提出的要求由此满足,即,使用具有开放结构的面状织物。
此外,对于检查织物的结构(连接类型、横截面构造、线实施方式、单丝/复丝、线强度、自由横截面等)还能够调整多种参数,例如检查力或者说检查应力(是指加载在相应的交互界面上的应力)的大小、剥除力(为剥除织物所需的力)的大小、对可能的缺陷的解析、内聚破裂的面积比例、剩余地图的层厚和所形成的底涂层的表面形态。
检查织物原则上可以由整个材料构成。例如是塑料、天然材料或金属。相应的材料被加工成面状结构,所述面状结构可以是传统意义上的织物、例如纺织品或针织品。然而所述面状结构可以考虑例如多孔金属或网格或网络。
检查织物原则上可以被底涂剂预浸渍,然而或者也可以以干燥状态存在,而只有在其本身的使用过程中才通过将粘接剂或底涂剂敷设在检查织物上而被浸润。
参照图3也可以考虑以下场景。一方面,两个检查体可以在监控粘接之前以未固化状态存在,并且在该工艺中连同检查织物被固化。此外,还可以在监控粘接之前使一个检查体以未固化状态存在,另一个检查体以固化状态存在。最后,两个检查体都可以是固化的。
图4示意性示出由具有圆形横截面的单丝线构成的开放的面状结构的撕掉的过程。
在撕掉过程中,纤维材料21从粘接剂底涂22上剥落,其中,纤维材料21的各纤维之间的自由表面内聚破坏。
通过检查织物的性质或通过纤维材料的形状可以调整所形成的表面的准确形态。例如也可以使用纤维材料的具有底切的带棱角的横截面,以便形成相对规则的薄的底涂层。
通过在接合表面上撕掉检查织物并且构造薄的底涂层,形成尤其具有粘附性能的表面。所述表面由此特别好地预备用于后续的粘接结合工艺。
为了自动化的工艺,在此可以设置计算单元40,所述计算单元与摄像头41和/或力传感器42相连,如图4中示意性极简地示出。摄像头41在此拍摄内聚破坏的底涂的破裂表面,其中,借助在计算单元40中的图像评估能够识别相应的不规则性以及底涂22在零件上的非整面的粘附。如果利用设备自动化地撕掉检查织物,则能够借助传感器42探测力F。通过对力曲线的分析则能够如上所述地检查表面。
借助根据本发明的方法在此还能够实现的是,检查剧烈弯曲的表面。这在绝大多数传统的应用情况下是不可能的。此外,根据本发明的方法还允许与地点无关和/或与位置无关地实施对接合表面的检查。在检查到缺陷和判定无缺陷的表面之后,根据本发明的方法形成了整洁的规定的表面,随后能够在所述表面上直接进行粘接。然而与传统的修复工艺相比,表面品质不受人为因素的影响。此外,根据本发明的方法还能够将预处理的接合表面的状态进行固定。因此,不必直接在表面预处理之后就进行粘接剂施加。因此修复工艺能够在时间上更灵活地进行。最后,本发明还允许探测污染,所述污染一旦在较高温度下的粘接工艺过程中就产生效果,例如通过由基材材料内部向表面的扩散产生效果。这一风险不可能在粘接之前通过常见的表面分析方法被识别出来。
粘接剂底涂可以是反应性材料,例如基于环氧树脂的材料,所述材料具有与修复所用粘接剂类似的性质曲线,然而所述材料的确切性质能够根据专门的任务具体定制(在最简单的情况下:粘接剂底涂=粘接剂)。此外,属于此列的是实施在基材上极强的接合、良好的耐污染性以及能够在接下来的步骤中实现特别好地与粘接剂接合的性质。粘接剂底涂(底漆)在颜色上被调整,从而能够通过带有检查织物的基材良好地反映出粘接剂底涂(底漆),并且在光学上轻易地识别出缺陷。底涂可以成型为,底涂的性质在粘接剂膜的稍后的固化过程中发生改变并且具有期望的最终性质。这相当于在更高温度下的粘接剂膜固化过程中的退火步骤。例如能够实现的是,底涂在检查织物之后仍具有剩余反应活性,也即尚未完全反应完毕,并且由此在接下来的粘接工艺中与粘接剂交联并且由此发生特别强固的化学键。
织物在此尤其不设额外的涂层、例如脱模剂,否则的话所述脱模剂在检查之后就会作为阻碍附着的残留物遗留在底涂的表面上。所述织物在丝强度或线强度及其联接或面积分布方面实施为,织物在剥除之后遗留下底漆的规则的表面和规定厚度的层。
撕除织物可以以均匀的宽度间距具有预定断裂点,通过所述预定断裂点将撕除织物分区为多个条带。这实现了整体式的施加,并且同时还能够将作为规定宽度的条带的各单独区段剥除,其中,基于规定的宽度绘制所述力。
带有纤维材料和粘接剂底涂的检查织物被调整,从而在正确的表面预备和表面预处理的情况下,基材与底涂之间的接合以及基材的强度高于为引发粘接剂底涂中的内聚破坏所需要的力。这意味着,在正确的实施方式中,在撕除织物与底涂之间的交互界面始终是薄弱点。当在基材表面上发生相关的缺陷或污染时,这些区域成为薄弱点,也即这些区域的强度低于撕除织物与底涂之间的强度,这表现在破裂图像的变化中,因为在破裂图像中能够识别相应的缺陷点。
附图标记列表
10-纤维复合零件
11-纤维材料层
12-损伤
13-表面修整部
14-接合表面
20-检查织物
21-检查织物的纤维材料
22-粘接剂底涂
23-接片
24-分隔膜
25-在破裂图像中的第一不规则性
26-在破裂图像中的第二不规则性
27-粘接剂
28-修复补丁
29-次级检查区域
30-检查连接
31-第一检查体
32-第二检查体
33-第一检查织物
34-第二检查织物
35-分隔膜
Claims (17)
1.一种用于检查基材的接合表面的方法,其中,在所述基材的接合表面上应借助粘接材料粘接构件,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
-制备至少一个面状的检查织物,所述检查织物具有纤维材料和粘接剂底涂,
-将所述面状的检查织物敷设在基材的接合表面的至少一部分上,构件应粘接在所述接合表面上,从而使得面状的检查织物的粘接剂底涂与基材的接合表面接触,
-面状的检查织物的粘接剂底涂至少部分地固化,以便借助粘接剂底涂使面状的检查织物与基材材料接合地相连,
-在粘接剂底涂至少部分地固化之后将面状的检查织物剥除,并且
-通过对已固化的粘接剂底涂与面状的检查织物之间的破裂图像的定性评估和/或通过对在剥除面状的检查织物时测得的剥除力的定性评估来检查所述接合表面。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基材是纤维复合零件,所述纤维复合零件由具有纤维材料和基质材料的纤维复合材料制成。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基材由聚合物材料、金属材料、金属合金、有机材料和/或无机材料构成。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在剥除面状的检查织物之后针对定性评估判断粘接剂底涂是否整面地粘附在基材的接合表面上,其中,当粘接剂底涂整面地粘附时判定为无缺陷的接合表面,否则的话则判定为有缺陷的接合表面。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在剥除面状的检查织物(20)之后针对定性评估判断在已固化的粘接剂底涂(22)与面状的检查织物(20)之间的破裂图像是否是均匀的或是不均匀的,其中,当破裂图像均匀时判定为无缺陷的接合表面(14),而在破裂图像不均匀时则判定为有缺陷的接合表面(14)。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在剥除面状的检查织物(20)之后针对定量评估判断在剥除面状的检查织物(20)时测得的剥除力是否完全或部分地在预设的额定范围之外和/或在预设的阈值以下进行,其中,当剥除力处于额定范围内和/或未低于预设的阈值时判定为无缺陷的接合表面(14),否则的话则判定为有缺陷的接合表面(14)。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,针对定量评估判断在剥除面状的检查织物(20)时测得的剥除力是否具有均匀的力曲线,其中,当力曲线均匀时判定为无缺陷的接合表面(14),而在力曲线不均匀时则判定为有缺陷的接合表面(14)。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,制备面状的检查织物,所述检查织物的纤维材料是开孔式的面状结构。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,借助摄像头拍摄已固化的粘接剂底涂(22)与面状的检查织物(20)之间的破裂图像,其中,借助图像评估单元由拍摄的图像数据判断均匀或不均匀的破裂图像,和/或借助力传感器检测在剥除面状的检查织物(20)的过程中的剥除力,其中,借助力评估单元由测得的剥除力判断均匀或不均匀的力曲线。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在粘接剂底涂(22)固化的过程中和/或之后对面状的检查织物(20)进行调节,其方式在于在预设的时间段内以预设的检查温度加载检查织物(20),和/或其方式在于使面状的检查织物(20)在预设的时间段内与介质接触,其中,在所述调节之后将检查织物(20)剥除。
11.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在将面状的检查织物剥除之前,粘接剂底涂完全固化,或者粘接剂底涂只部分固化。
12.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,这样制备检查织物,使得检查织物具有一个或多个间距保持件,所述间距保持件布置在检查织物的纤维材料上和/或包含在粘接剂底涂中。
13.一种用于将材料敷设在基材上的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
-借助根据上述权利要求中任一项所述的方法对所述基材的接合表面(14)进行检查,
并且,如果接合表面的检查结果是正面的,则
-将材料敷设在剥除面状的检查织物之后所残留的粘接剂底涂上,
-借助在剥除面状的检查织物之后所残留的粘接剂底涂上所敷设的粘接材料(27)对构件进行接合。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于,所述基材是纤维复合零件,所述纤维复合零件由具有纤维材料和基质材料的纤维复合材料制成。
15.根据权利要求13或14所述的方法,其特征在于,所述材料是粘接材料,其中,借助在剥除面状的检查织物之后所残留的粘接剂底涂上所敷设的粘接材料接合构件。
16.根据权利要求15所述的方法,其特征在于,在面状的检查织物被剥除之前,粘接剂底涂(22)只部分地固化,其中,粘接剂(27)被敷设在残留的尚未完全固化的粘接剂底涂(22)上,并且构件随后借助被敷设的粘接剂(27)被接合。
17.一种用于检查基材的接合表面的设备,其中,应借助粘接材料将构件粘接在接合表面上,其中,所述设备具有摄像头和图像评估单元和/或力传感器和力评估单元,并且构造用于实施根据权利要求1至12中任一项所述的方法。
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