DE10004146C2 - Anordnung zur Vermessung der Ausbreitung eines Matrixmaterials in elektrisch leitfähigen Verstärkungsstrukturen - Google Patents

Description

Zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) wird eine Verstärkungsstruktur mit einem Matrixmaterial (Harzsystem) getränkt. Dies geschieht beispielsweise bei Verfahren, die unter dem Oberbegriff Harzinjektionsverfahren bzw. Liquid Composite Moulding (LGM) zusammengefaßt werden. Dazu wird in ein zweiteiliges Werkzeug ein textiles Verstärkungsmaterial trocken in die Kavität abgelegt. Nach dem Schließen der Form erfolgt die vakuum- bzw. druckunterstützte Injektion des Matrixmaterials, wobei die Füllzeit vom Injektionsdruck, der Bauteilgröße, dem Angußsystem und dem vom Verstärkungsmaterial aufgebrachten Fließwiderstand abhängt. Nach der Formfüllung härtet das Matrixmaterial aus, anschließend kann das Bauteil entformt werden.

Als Fasermaterial werden hauptsächlich Glas, Kohlenstoff und Aramid verwendet. Die meist flächigen Verstärkungsstukturen teilen sich auf in Gestricke, Gewirke, Gelege und Gewebe. Allen Strukturen ist gemeinsam, daß Faseranteile in verschiedenen Richtungen vorliegen und diese zueinander fixiert sind. Beispielhaft ist in den Fig. 2 (Draufsicht) und 3 (Schnitt) ein Gewebe dargestellt. Zur Charakterisierung der Verstärkungsstrukturen ist vor allem die Permeabilität von Bedeutung. Fig. 4 zeigt das zu untersuchende Fließverhalten an einer Skizze. Über einen zentralen Anguß (14) gelangt das Matrixmaterial in die Kavität (13) und breitet sich in Form einer Ellipse (15) aus. Zur Untersuchung des Ausbreitungsverhaltens stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Vor allem die Erfassung der Fließfront mit Hilfe der Bilddokumentation wird hier eingesetzt. Dazu ist aber eine Form mit transparentem Oberwerkzeug erforderlich. Dies führt zu Einschränkungen hinsichtlich der Temperierbarkeit und Druckstabilität der Form, hat aber den entscheidenden Vorteil die Fließfront des Matrixmaterials zu jedem beliebigen Zeitpunkt an verschiedenen Stellen gleichzeitig bestimmen zu können. Mit Systemen wie beispielsweise der Druck- oder Temperaturmessung, welche lediglich an diskreten Punkten ein Signal abgreifen, ist dies nicht möglich. Hier muß die Position der Fließfont in einer Hauptachse im Verhältnis zu einer Zweiten interpoliert werden, um so die Ausbreitung der Fließfront anhand einer Ellipse beschreiben zu können. Um dieses Problem zu umgehen, kann ein Meßprinzip auf Basis eines Kondensators realisiert werden.

Ein solcher Kondensator besteht aus zwei sich gegenüberliegenden leitfähigen Flächen und hat drei grundlegende Variablen. Dies sind die Plattengröße, der Plattenabstand und die Dielektrizitätskonstante des Mediums, welches sich zwischen den Platten befindet. Prinzipiell sind damit drei verschiedene Arten der Kapazitätsänderung von Kondensatoren möglich, die mit einer Messung der elektrischen Kapazität quantifiziert werden können. Diese variablen Größen können auch als mittlere Größen wirksam sein, z. B. können der Plattenabstand oder die Dielektrizitätskonstante über den Kondensator nicht konstant sein. Die Messung der Kapazität ist seit langem mit verschiedenen Verfahren möglich.

Dieser Sachverhalt kann als sekundäres Meßprinzip für eine ursprünglich zu messende Größe verwendet werden. Dazu wird eine Anordnung so konzipiert, daß die zu messende Größe auf einen Kondensator einwirkt und sich dessen Kapazität ändert. Meßsysteme dieser Art sind seit langem bekannt. Beispiele sind kapazitive Abstandsmeßsysteme (Abstandsänderung), Messung der Überlappung von Metallflächen (Flächenänderung), Messung des mit Flüssigkeit gefüllten Anteils des Kondensators (Füllstandsensor), Messung des Fortschritts von chemischen Reaktionen durch die Änderung der Dielektrizitätskonstanten (siehe z. B. Foldvari, Lion: Capacitive Transducers. Instruments & Control Systems, 11/1964).

Aus der Druckschrift DE 28 45 269 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Wasseraufnahme eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit Hilfe eines kapazitiven Flächengebers bekannt. Aufgabe dieses Sensors ist es, den Einfluss von Feuchte auf die Lebenserwartung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils zu ermitteln. Der Sensor wird zwar bei der Bauteilherstellung einlaminiert, beziehungsweise eingebaut, hat aber keine Funktion während der Bauteilherstellung.

Auch die Durchtränkung einer nichtleitenden Verstärkungsstruktur, z. B. aus Glasfasern, mit einem Matrixmaterial ist mit diesem Verfahren meßbar. Dazu wird die Verstärkungsstruktur zwischen die beiden Kondensatorflächen gelegt oder gepreßt und die durch die Änderung des Verhältnisses zwischen Luft bzw. Vakuum und Matrixmaterial entstehende Kapazitätsänderung gemessen. Daraus läßt sich auf den Anteil der durchtränkten Verstärkungsstruktur zurückrechnen, wenn Kalibrierwerte vorhanden sind.

Ist die Verstärkungsstruktur in einem solchen Kondensator jedoch leitfähig, z. B. aus Kohlenstoff-, Metall- oder leitfähig beschichteten nichtleitenden Fasern, kann auf diesem herkömmlichen Weg die Ausbreitung des Harzes nicht gemessen werden, da der Kondensator kurzgeschlossen ist und zudem die leitfähige Oberfläche der Verstärkungsstruktur eine elektrische Abschirmung gegen eine Auswertung der Vorgänge im Inneren der Struktur darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeit zu umgehen.

Dazu müssen die Oberflächen der Kondensatorplatten elektrisch isoliert werden (Fig. 1). Dazu werden in geeigneter Weise die Isolierschichten (3), (4) auf die Kondensatorplatten (1), (2) aufgebracht oder aufgelegt. Dann liegt die Verstärkungsstruktur (5) dazwischen auf einem Potential zwischen den beiden am Kondensator angelegten Potentialen.

Diese Anordnung kann als Reihenschaltung von vier Kondensatoren betrachtet werden (Fig. 5). Der erste Kondensator auf jeder Seite wird von den Isolierschichten (3), (4) gebildet. Einen weiteren Kondensator auf jeder Seite stellen die Hohlräume (Zwickel) (7), (8) zwischen der Isolierschicht (3), (4) und der Oberfläche der Verstärkungsstruktur (5) dar. Die leitfähige Verstärkungsstruktur (5) in der Mitte kann mit einem Anschluß (11) kontaktiert werden.

Die Kapazität dieser Anordnung hängt von der Dicke der Isolierschichten (3), (4) sowie vom mittleren Abstand der Oberfläche der Verstärkungsstruktur (5) von der Oberfläche der Isolierschichten (3), (4) ab. Das Eindringen des Matrixmaterials (6) ins innere der Verstärkungsstruktur (5) ändert an der elektrischen Situation der Anordnung und der Kapazität nichts, da die leitfähige Verstärkungsstruktur wie eine elektrische Abschirmung elektrischer Felder wirkt. Wenn jedoch die Hohlräume (Zwickel) (7), (8) zwischen der Oberfläche der Verstärkungsstruktur (5) und den Isolierschichten (3), (4) mit dem Matrixmaterial gefüllt werden, ändert sich die Kapazität der Anordnung durch, Änderung der Dielektrizitätskonstanten am durchtränkten Teil der Oberfläche. Selbst in einer stark komprimierten Verstärkungsstruktur (5) sind, ausreichend viele Zwickel für eine solche Messung vorhanden. Wenn sich eine Matrixschicht zwischen den direkt anliegenden Teil der Oberfläche der Verstärkungsstruktur (5) und die Isolierschichten (3), (4) schiebt, ändert sich die Kapazität außerdem durch Änderung des mittleren Plattenabstands. Dies gilt für nicht leitfähige Matrizes.

Ist das Matrixmaterial leitfähig, wirkt in den gefüllten Zwickeln die an der Isolierschicht anliegende Oberfläche des Matrixmaterials als zweite Kondensatorplatte. Die Kapazität ändert sich durch Änderung des mittleren Plattenabstandes. Als Dielektrizitätskonstante ist nur die der Isolierschicht wirksam.

Das Vordringen der Ausbreitungsfront (12) erzeugt eine vom Anteil der durchtränkten Oberfläche an der Gesamtfläche abhängige Änderung der Kapazität des Kondensators und kann in die Größe der durchtränkten Oberfläche zurückgerechnet werden. Da hier ein Effekt ausgenutzt wird, der nur an der Oberfläche der Verstärkungsstruktur wirksam ist, ist die dreidimensionale Form der Kondensatorplatten nicht von Bedeutung. Allein die Fläche und deren Längen- und Breitenausdehnung an der Oberfläche sind für die Messung maßgeblich.

Bei der Ausbreitung des Matrixmaterials über die Kondensatoroberfläche werden die Zwickel diskontinuierlich aufgefüllt. Dies hat in Abhängigkeit der Zwickeldichte pro Oberfläche ein ungleichmäßiges Ansteigen der Kapazität mit dem Fortschritt der Ausbreitungsfront zur Folge. Der Effekt wird bei Kondensatorplatten, die im Verhältnis zur Zwickeldichte groß sind durch die Vielzahl der Zwickel verringert. Erst bei Kondensatorgrößen, die nur wenige Zwickel überdecken, sind größere Ungleichmäßigkeiten im Meßergebnis zu erwarten.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine solche Anordnung anzuschließen und die Kapazitäten auszuwerten. Eine Möglichkeit ist es, die beiden Kondensatorplatten (1), (2) an deren Anschlüssen (9) und (10) anzuschließen und die Kapazität zu messen (Fig. 6). Da es sich so um eine Reihenschaltung von Kondensatoren handelt, kann die Gesamtkapazität bei kleineren Anordnungen relativ gering sein, so daß eine bessere und damit teurere Kapazitätsmeßeinheit erforderlich werden kann. Dieses Problem kann behoben werden, indem die Verstärkungsstruktur (5) mit einem Anschluß (11) versehen wird und die Anschlüsse (9) und (10) der Kondensatorplatten (1) und (2) zusammengeschaltet werden (Fig. 7). Dadurch wird eine Parallelschaltung der beiden Kondensatoren und damit eine Vergrößerung der Kapazität erreicht. Wenn die Kondensatorplatten (1) und (2) gleich groß sind, erhöht sich die Kapazität um den Faktor 4. Ist die Messung der Ausbreitung auf einer Seite der Verstärkungsstruktur ausreichend, kann auch zwischen einer Kondensatorplatte (9) und der angeschlossenen Verstärkungsstruktur (11) gemessen werden. Der Anschluß der Kondensatorplatte (10) kann offen bleiben (Fig. 8) oder auf dasselbe Potential wie die Verstärkungsstruktur (11) gelegt werden (Fig. 9). Der Kondensator zwischen dem Anschluß (10) und der Verstärkungsstruktur (11) ist damit unwirksam.

Dies stellt gegenüber der Messung in Reihenschaltung bei gleichen Kondensatorplatten eine Verdopplung der Kapazität dar und erspart eine isolierte und angeschlossene Kondensatorplatte in dem Fall, daß die Verstärkungsstruktur und der Anschluß (10) auf dasselbe Potential gelegt werden.

Ist es erforderlich, die Ausbreitung des Matrixmaterials auf beiden Seiten der Verstärkungsstruktur (5) getrennt zu erfassen, können die Kapazitäten an den Anschlüsse (9) und (10) jeweils einzeln gegen den Anschluß der Verstärkungsstruktur (11) gemessen werden (Fig. 10). Diese zuletzt genannte Form der Messung kann mit beliebig vielen einzeln zu vermessenden Stellen der Verstärkungsstruktur und dazugehörigen Kondensatorplatten und Kapazitätsmeßeinheiten verwirklicht werden. Es gibt für diesen Fall außerdem die Möglichkeit, Kondensatorplatten zusammenzuschalten (Fig. 11), um damit weitere Meßeffekte zu erzielen (s. u.).

Für die Charakterisierung der Ausbreitung eines Matrixmaterials in einer Verstärkungsstruktur ist es im allgemeinen üblich, die Form und Lage der Ausbreitungsellipse (15), die vom Injektionspunkt (14) ausgeht, zu bestimmen (Fig. 4). Dazu können in einem Werkzeug mehrere Kondensatoren zur Ausbreitungsmessung angeordnet werden. Kurven 2. Ordnung (Ellipse, Hyperbel) sind in der Ebene durch mindestens fünf Kurvenpunkte definiert. Bei der vorliegenden Nullpunktsymmetrie genügen jedoch schon drei Punkte, wenn diese nicht nullpunktsymmetrisch zueinander sind. Eine besonders vorteilhafte Anordnung zur Bestimmung dieser Punkte ist in Fig. 12 dargestellt, wobei hier eine Meßfläche zur Redundanz genutzt wird. Die Kondensatorplatten (16) bis (21) werden dabei zunehmend von der Ausbreitungsellipse (15) überdeckt, so daß die gemessene Kapazitätszunahme des entsprechenden Kondensators dem überdeckten Anteil des Kondensators proportional ist. Dadurch kann die von der Ausbreitungsfront zurückgelegte Strecke über dem Kondensator bestimmt werden. In der Anordnung in Fig. 7 sind die beiden Paare der gegenüberliegenden Kondensatoren elektrisch parallel zusammengeschaltet, da im allgemeinen eine punktsymmetrische Ausbreitung der Front erwartet wird. Dies führt zu einer Erhöhung der Grundkapazität und der Genauigkeit. Die beiden spiegelsymmetrisch schräg angeordneten Kondensatoren dienen der Bestimmung der Drehung der Ellipse. Diese kann durch Verrechnung mit den Signalen der beiden Paare der gegenüberliegenden Kondensatoren errechnet werden. Erst wenn die Drehung bekannt ist, kann die vollständige Form und Ausdehnung der Ausbreitungsellipse bestimmt werden. Als Material für die isolierten Kondensatorplatten mit fest aufgebrachter Isolierung ist z. B. eloxiertes Aluminium oder teflonbeschichteter Stahl geeignet. Auch das Einlegen einer isolierenden Folie, Platte oder eines Gewebes, Geleges oder Vlieses zwischen Kondensatoroberfläche und leitfähiger Verstärkungsstruktur als Isolation ist möglich. Als Material für eine isolierende zwischengelegte Schicht sind z. B. Teflon, andere Kunststoffe oder auch Glas-, Aramid- oder andere nichtleitende Fasern geeignet. Es ist auch denkbar, daß diese Schicht nach dem Tränken an der getränkten Verstärkungsstruktur verbleibt, also nicht mehr abgelöst wird.

Bei der Messung eines Matrixmaterials mit unbekannter Dielektrizitätskontstante oder einer Verstärkungsstruktur mit unbekannter Ausformung der Zwickel an der Oberfläche oder verändertem Druck auf die Verstärkungsstruktur und damit veränderter Form der Zwickel ist es erforderlich, den Proportionalitätsfaktor zwischen gemessener Kapazitätszunahme und dem von der Fließfront überstrichenen Anteil des Kondensators zu bestimmen. Dies ist nach dem vollständigen Überstreichen der Kondensatorflächen durch die Fließfront möglich, indem die Länge des Kondensators und die Kapazitätszunahme ins Verhältnis gesetzt werden. Zur Regelung der Prozeßparameter oder zur direkten Messung der Ausbreitung des Harzes oder der Flüssigkeit muß jedoch schon zu Beginn der Injektion diese Information vorliegen. Eine Möglichkeit zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors zu Beginn der Messung ist es, zwei Kondensatoren elektrisch parallel zusammenzuschalten, wobei die Lage der Kondensatoren so gewählt ist, daß der Beginn des Überstreichens durch die Fleißfront nicht zeitgleich erfolgt. Die beiden Kondensatoren können beispielsweise direkt nebeneinander oder zum Angußpunkt des Harzes oder der Flüssigkeit punktsymmetrisch liegen und um einen Abstand in Ausbreitungsrichtung zueinander verschoben sein. Dann entsteht in der Kurve der über die Zeit gemessenen Kapazitätsänderung ein Knick, an dem sich die Steigung der Kurve ändert. Diese Steigungsänderung findet statt, wenn auch der zweite Kondensator von der Ausbreitungsfront überdeckt wird. Aus der bekannten Strecke zwischen dem Beginn der Überdeckung der beiden Kondensatoren sowie der Breite der Kondensatoren kann der Proportionalitätsfaktor für die Kurvenabschnitte vor und nach dem Knick errechnet werden. Im Verlauf des Tränkens nach dem Knick kann so die Ausbreitung mit dem Proportionalitätsfaktor kalibriert gemessen und zur Regelung oder sofortigen Auswertung verwendet werden. Um in der Kennlinie einen Knick zu erhalten, wenn die Ausbreitungsfront einen zweiten Kondensator erreicht, ist es auch möglich, die beiden Kondensatoren in Reihe zu schalten. Die Kennlinie ist jedoch schwieriger zu interpretieren, da sie durch die Reihenschaltung nichtlinear wird. Es sind außerdem eine oder mehrere in Ausbreitungsrichtung angeordnete kurze Flächen denkbar, die mit einer in Ausbreitungsrichtung längeren Hauptkondensatorplatte zusammengeschaltet sind, und die nur während sie überstrichen werden durch eine Steigungsänderung in der Kennlinie indizieren, daß die entsprechende Stelle von der Ausbreitungsfront erreicht wurde. Auch hieraus läßt sich mit Hilfe deren Oberfläche und der benetzten Oberfläche der Hauptkondensatorplatte ein Kalibrierwert für den Proportionalitätsfaktor gewinnen.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, in der Zuleitung des Matrixmaterials einen Kondensator anzubringen, mit dem eine normierte Dielektrizitätskonstante gemessen wird. Dazu wird die Geometrie des Kondensators in der Zuleitung konstant gehalten. Eine Änderung ergibt sich aus der Art des Matrixmaterials als Dielektrikum. Diese Meßergebnisse werden normiert auf ein System, für welches der Proportionalitätsfaktor bekannt ist. Damit wird eine normierte Dielektrizitätskonstante bestimmt. Die Meßergebnisse beim Tränken werden mit der normierten Dielektrizitätkonstanten gewichtet und liefern mit dem bekannten Proportionalitätsfaktor die Ausbreitung des Harzes oder der Flüssigkeit.

Außerdem ist es mit der beschriebenen Anordnung von Kondensatorplatte und Verstärkungsstruktur möglich zu messen, ob eine Verstärkungsstruktur in die Form eingelegt ist und in wieweit der vorgeschriebene Druck auf die Verstärkungsstruktur aufgebracht ist, also der gewünschte Faservolumenanteil eingestellt ist. Eine Druckänderung bewirkt eine Verformung der Zwickel zwischen der Isolierschicht und der Oberfläche der Verstärkungsstruktur und damit auch eine Änderung des mittleren Abstands zwischen der Oberfläche der Isolierschicht und der Oberfläche der Verstärkungsstruktur. Damit ändern sich Grundkapazität und Proportionalitätsfaktor. Bei einer Verstärkungsstruktur, deren kapazitive Wirkung in der Anordnung bei einem bestimmten, z. B. vorgeschriebenen Druck bekannt ist, kann nach dem Einlegen festgestellt werden, ob die gemessene Kapazität der Standardkapazität für diesen Druck entspricht. Es ist ebenso eine Kalibrierung der Kapazität über den Druck und damit eine Druckmessung über diesen Effekt möglich. In einer Anordnung, bei der die Verstärkungsstruktur (5) und damit ihr Anschluß (11) mit dem Anschluß (9) oder (10) der Platte (1) oder (2) verbunden ist und gegen die entsprechend andere Platte (2) oder (1) gemessen wird (Fig. 5), wird eine deutlich geringere Kapazität gemessen, wenn die Verstärkungsstruktur (5) nicht oder in unzureichender Menge eingelegt ist, was einem zu geringen Faservolumengehalt entspricht. Entsprechendes gilt für den Fall, daß der Faservolumengehalt zu hoch ist. Im Fall einer Faltenbildung, die zu ungleichmäßiger Anlage an den Kondensatorplatten (1) oder (2) führt, wird eine geringere Kapazität im Vergleich zur Standardkapazität gemessen. Damit kann im Rahmen der Qualitätssicherung in einer Serienfertigung z. B. das Fehlen bzw. das faltenfreie und korrekte Einlegen der Verstärkungsstruktur und das Aufbringen des vorgeschriebenen Schließdruckes überwacht werden.

Die folgenden Darstellungen Fig. 1 bis Fig. 12 sind beigefügt:

Fig. 1: Meßprinzip

Fig. 2: Typischer Aufbau einer Verstärkungsstruktur (Draufsicht)

Fig. 3: Typischer Aufbau einer Verstärkungsstruktur (Schnitt)

Fig. 4: Ausbreitungsverhalten

Fig. 5: Ersatzschaltbild Meßaufbau

Fig. 6: Serienschaltung

Fig. 7: Parallelschaltung

Fig. 8: Einzelmessung mit offenem zweiten Kondensator

Fig. 9: Einzelmessung mit kurzgeschlossenem zweiten Kondensator

Fig. 10: Zwei Einzelmessungen

Fig. 11: Mehrere Einzelmessungen

Fig. 12: Anordnung der Sensorflächen

Claims (5)

1. Anordnung zur Vermessung der Ausbreitung eines Matrixmaterials in elektrisch leitfähigen Verstärkungsstrukturen sowie zur Überwachung der Verstärkungsstrukturen auf Faservolumengehalt, dadurch gekennzeichnet, daß der zu vermessende Teil der Verstärkungsstruktur an eine elektrisch isolierte Platte eines Plattenkondensators angelegt, und die Änderung der Kapazität zwischen der Platte und der Verstärkungsstruktur oder zwischen der Platte und einer weiteren an die Verstärkungsstruktur angelegten, elektrisch isolierten Platte eines Plattenkondensators mit einer Kapazitätsmeßschaltung gemessen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Matrixmaterial in die Verstärkungsstruktur so infiltriert wird, daß sie sich entlang der Platte des Plattenkondensators ausbreitet und das Meßergebnis der Kapazitätsmeßschaltung zur Bestimmung der Ausbreitung des Matrixmaterials über die Platte des Plattenkondensators herangezogen wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektrisch isolierte Platten von Plattenkondensatoren so angeordnet, verschaltet und die Kapazität als Maß für das Fortschreiten der Ausbreitungsfront mit Kapazitätsmeßschaltungen ausgemessen werden, daß mit den Meßergebnissen eine Charakterisierung des Ausbreitungsverhaltens eines Matrixmaterials in einer elektrisch leitfähigen Verstärkungsstruktur, insbesondere die Berechnung der Form und Lage einer Ausbreitungsellipse, durchgeführt werden kann.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektrisch in Parallelschaltung oder Reihenschaltung zusammengeschaltete Platten von Plattenkondensatoren, deren Lage so gewählt ist, daß sie von der Ausbreitungsfront des Matrixmaterials um einen bekannten Abstand versetzt erreicht werden und aus dem Verlauf der gemessenen Kapazität, während nur eine der Platten von der Ausbreitungsfront überstrichen wird, Kalibrierwerte für die weitere Messung der Ausbreitung des Matrixmaterials gewonnen werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß durch Messung der Kapazität von einer oder mehrerer Platten von Plattenkondensatoren gegen eine Verstärkungsstruktur oder eine weitere Platte eines Plattenkondensators das Vorhandensein der Verstärkungsstruktur, die faltenfreie Belegung und der Faservolumengehalt bzw. Druck zwischen Verstärkungsstruktur und Platte ermittelt wird.