DE102004050961B3

DE102004050961B3 - Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer offenporigen Materialschicht

Info

Publication number: DE102004050961B3
Application number: DE200410050961
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Pinnow; Hans-Peter Dr. Fink
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: WO2006042520A1; EP1802965A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer offenporigen Materialschicht, insbesondere einer Fasermatte, durch Messung der Laufzeiten von Ultraschall-Impulsen durch die Materialschicht. Die Ultraschall-Impulse werden hierbei ohne ein zwischen liegendes Koppelmedium in die Materialschicht eingestrahlt, wobei ein Frequenzbereich der Ultraschall-Impulse gewählt wird, bei dem die Ultraschall-Impulse nicht in Material der Materialschicht einkoppeln. Aus örtlich unterschiedlichen Laufzeiten kann dann eine Aussage über die Homogenität der Materialschicht getroffen werden. Das Verfahren lässt sich ohne großen Aufwand durchführen und erlaubt insbesondere eine zerstörungsfreie, kontaktlose Online-Überwachung und Dokumentation der Homogenität von Fasermatten.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer offenporigen Materialschicht, insbesondere einer Fasermatte, unter Einsatz von Ultraschall-Impulsen. Unter einer offenporigen Materialschicht ist hierbei eine Schicht aus Festkörpermaterial zu verstehen, die von Luft- oder Gas-gefüllten Zwischenräumen durchdrungen ist, beispielsweise eine lockere Materialschichten aus einzelnen Fasern und/oder Partikeln.
Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens besteht in der Bestimmung der Homogenität der Faserverteilung in Fasermatten (Vliese). Die Eigenschaften von Fasermatten hängen sehr stark von der Flächenmasse, d. h. der Gesamtmasse der Fasern pro Flächeneinheit der Fasermatte, ab. Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal für den Einsatz der Fasermatten ist deshalb die Homogenität der Flächenmasse, d. h. die gleichmäßige Verteilung der Fasern über die Fläche. Inhomogenitäten der Faserverteilung führen zur Ausbildung von Bereichen mit geringer Flächenmasse, die Schwachstellen der Vlieseigenschaften darstellen. So beeinträchtigen derartige Bereiche mit geringer Flächenmasse bspw. die mechanische Festigkeit und die Dehnbarkeit der Fasermatten. Die Schwachstellen können bei entsprechender Belastung zum Versagen der Fasermatten in diesem Bereich führen. Auf der anderen Seite verursachen derartige Bereiche bei der Nutzung von Aus- oder Abschnitten aus einer Fasermatte eine breite, unakzeptable Streuung der Materialkennwerte. Schwankungen der Flächenmasse können beim Einsatz der Fasermatten als Verstärkungsmaterial in Formpressteilen zu einem lokalen Versagen (Reißen) beim Drapieren und demzufolge zu Schwachstellen im Bauteil führen, wenn ein Vliesbereich mit niedriger Flächenmasse in einer Zone hoher Dehnung in der Pressform liegt. Bei der Verwendung der Fasermatten als Filter- und Dämmmatten führen Bereiche mit unterschiedlichen Flächenmassen zu lokalen Unterschieden in den Durchlässigkeiten bzw. Dämmwerten. Auch beim Einsatz als Feuchteträger, bspw. in Windeln, bedingen lokal unterschiedliche Flächenmassen Unterschiede in der Flüssigkeitsaufnahme.

Die Flächenmasse wird nach DIN EN 29073-1:1992-08 an Flächenabschnitten ≥ 500 cm² durch Wägen bestimmt. Die Flächenmasse wird im Allgemeinen im Anschluss an den Produktionsprozess als Mittelwert aus dem Quotienten des Gewichts und der Gesamtfläche einer Fasermatte ermittelt. Inhomogenitäten werden bei dieser Art der Bestimmung je nach Größe der Prüffläche gemittelt. Dieses Verfahren ist diskontinuierlich, es stellt lediglich eine exemplarische Bestimmung der Flächenmasse dar und hat zudem die Zerstörung der Fasermatten zur Folge. Es eignet sich daher nicht für eine On-line-Qualitätskontrolle bei der Herstellung oder Verwendung von Fasermatten.

Die Homogenität der Faserverteilung der Fasermatten kann auch durch eine Dickenkontrolle erfasst werden. Die Dicke der Fasermatten wird nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 bestimmt und kann durch das Aufsetzen einer Messplatte in Verbindung mit einem Wegaufnehmer gemessen werden. In dieser DIN, die, ebenso wie die erstgenannte DIN, bspw. dem Buch „Vliesstoffe" von W. Albrecht, H. Fuchs und W. Kittelmann, Wiley-VCH Verlag GmbH, Winheim (Deutschland. 2000) entnommen werden kann, werden der Prüfdruck und die Prüffläche in Abhängigkeit von der Komprimierbarkeit und der Dicke der Fasermatten festgelegt. Da die Messplatte auf die Fasermatte aufgesetzt werden muss, ist dieses Verfahren nicht geeignet, die Faserverteilung kontinuierlich im Verlauf der Vliesherstellung im Vliesleger zu erfassen. In einer Abwandlung dieser DIN können auch mehrere Rollen in Verbindung mit einem Wegaufnehmer und einem entsprechenden Anpressdruck über das Vlies geführt werden. Bei einer Anordnung mehrerer Rollen quer zur Maschinenlaufrichtung kann die Vliesdicke kontinuierlich und ortsaufgelöst erfasst werden. Allerdings hängen die Messergebnisse vom Kontakt zwischen der abgreifenden Rolle und der Fasermatte, also vom Anpressdruck ab, so dass das Verfahren nur an Fasermatten ab einer bestimmten Festigkeit eingesetzt werden kann. Lockere Faserlagen, wie die unvernadelte Fache oder lockere Faserflocken, können damit nicht untersucht werden. Weiterhin ist die Dicke der Fasermatte nur ein indirektes Maß für die Flächenmasse, da diese sowohl von der Anzahl der Fasern als auch von deren Verdichtung, bspw. von der so genannten Vernadelungsdichte, abhängig ist.

In der Werkstofftechnik wird zur Untersuchung verschiedener kompakter Festkörper auch die Ultraschalltechnik eingesetzt. So ist es beispielsweise bekannt, Ultraschall-Impulse in das Festkörpermaterial einzukoppeln, damit sie sich in dem Material ausbreiten, und an einer Auskoppelstelle mit einem Ultraschall-Empfänger zu empfangen, um die Impulslaufzeiten durch den Festkörper zu messen. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall in Festkörpern höher ist als in Luft, wird die Impulslaufzeit bei gleichem Abstand zwischen Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger durch das Einkoppeln in den dazwischen positionierten Festkörper verkürzt. Die Ein- und Auskopplung der Ultraschall-Impulse wird entweder durch direkten Kontakt zwischen dem Festkörpermaterial und dem Ultraschall-Sender und -Empfänger oder mit Hilfe eines zusätzlichen Kopplungsmediums für Ultraschall erreicht. Als Kopplungsmedien werden in der Regel spezielle Flüssigkeiten oder Wasser benutzt. Für die Untersuchung lockerer bzw. offenporiger Materialien ist diese Art der Einkopplung jedoch nicht geeignet. So kann die Kopplungsflüssigkeit die Zwischenräume bzw. die Poren des Materials füllen, so dass die Ausbreitung des Ultraschalls auch zu einem großen Teil im Kopplungsmedium selbst erfolgen kann. Andererseits kann die Kopplungsflüssigkeit auch von dem zu untersuchenden Material adsorbiert werden, wodurch sich dessen Eigenschaften – insbesondere die Geschwindigkeit des Ultraschalls – ändern können.

Aus der US 5824908 A ist eine Ultraschalltechnik zur berührungslosen Untersuchung von Materialien bekannt, bei der die Einkopplung des Ultraschalls in das Festkörpermaterial ohne direkten Kontakt oder Zwischenschaltung eines speziellen Kopplungsmediums erfolgt. Die Einkopplung wird bei dieser Technik dadurch erreicht, dass durch geeignete Einstellung der eingestrahlten Ultraschallfrequenz eine Resonanzfrequenz des Festköpermaterials angeregt wird. Da die Resonanzfrequenz abhängig von der Art des Festkörpermaterials und der Dicke der vermessenen Materialschicht ist, können über die Lage bzw. Verschiebung der Resonanzfrequenz Inhomogenitäten in der Probendicke sowie Materialschäden ermittelt werden. Eine Änderung der Schichtdicke kann dabei auch über eine Änderung der Laufzeiten der im Bereich der Resonanzfrequenz in das Material eingekoppelten Ultraschall-Impulse erfasst werden. In jedem Fall ist ein Durchstimmen der Ultraschallfrequenz zur Einstellung der Resonanz notwendig, so dass keine kontinuierliche Messung möglich ist.

Die CA 2169307 C beschreibt ein Verfahren, bei dem mit Hilfe der Ultraschalltechnik eine zwischen einem Sender und einem Empfänger angeordnete Materialschicht untersucht wird. Bei diesem Verfahren wird die über ein gasförmiges Medium an Sender und Empfänger gekoppelte Materialschicht zu Ultraschallschwingungen angeregt und die von der Materialschicht emittierte Ultraschallenergie gemessen. Aus der Lage von Resonanzen kann dann auf Defekte in der Materialschicht geschlossen werden.

Auch aus der WO 89/04524 A1 geht ein Verfahren zur Untersuchung von Materialien hervor, bei dem Ultraschall-Wellen in das Material eingekoppelt werden. Die zu untersuchende Materialschicht wird hierbei zwischen Ultraschall-Sender und -Empfänger eingeklemmt, um die Laufzeit der Ultraschallwellen im Material zu bestimmen.

Die SU 532804 A beschreibt ein Verfahren, bei dem Inhomogenitäten eines zu untersuchenden Materials detektiert werden, indem Ultraschall-Wellen in das Material eingekoppelt und eine Verkürzung der Laufzeit gegenüber der Laufzeit der Schallwellen durch Luft ausgewertet wird.

Die DE 4106334 C1 beschreibt ein Verfahren zur Ultraschall-Prüfung von Probenkörpern aus faserverstärkten Kunststoffen. Bei dem Verfahren ist der Prüfkopf über einer auf zwei Stützen oberhalb eines Bodens aufgelagerten Probe angeordnet. Vom Prüfkopf werden insgesamt vier Schallimpulse detektiert, nämlich das von der dem Prüfkopf zugewandten Oberfläche der Probe ausgehende Oberflächenecho, das von einem Fehler innerhalb der Probe ausgehende Fehlerecho, das Rückwandecho, das von der dem Prüfkopf abgewandten Oberfläche der Probe ausgeht und schließlich das Bodenecho. Um Aussagen über die Beschaffenheit des zu untersuchenden Materials zu erhalten, werden die Echoimpulse entsprechend ihrer Laufzeit zu unterschiedlichen Zeiten empfangen und die Laufzeiten ausgewertet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer lockeren bzw. offenporigen Materialschicht, insbesondere einer Fasermatte, anzugeben, das sich mit geringem technischen Aufwand durchführen lässt und auch eine kontinuierliche Überwachung der Homogenität der Materialschicht in einem Produktionsprozess ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer offenporigen Materialschicht, insbesondere einer Fasermatte, wird auf einer Seite der Materialschicht zumindest ein Ultraschall-Sender und auf einer gegenüberliegenden Seite zumindest ein Ultraschall-Empfänger eingesetzt. Die Materialschicht wird in einem oder mehreren geometrisch definierten Bereichen mit einem oder mehreren Ultraschall-Impulsen durchstrahlt und die Laufzeit der Ultraschall-Impulse zwischen dem Ultraschall-Sender und dem Ultraschall-Empfänger wird für jeden der Bereiche gemessen. Schließlich werden aus der Laufzeit Kennwerte der Materialschicht in den jeweiligen Bereichen durch Vergleich mit Referenzwerten bestimmt und/oder die Homogenität der Materialschicht wird durch Vergleich der Laufzeiten, die an örtlich unterschiedlichen Bereichen der Materialschicht gemessen wurden, bestimmt. Der Vergleich mit Referenzwerten zur Bestimmung der Kennwerte umfasst hierbei einen Berechnungsschritt, in dem aus der/den gemessenen Laufzeit(en) jeweils eine Laufzeitverlängerung gegenüber einer bekannten, insbesondere vorbestimmten, Laufzeit durch Luft berechnet wird. Die berechneten Laufzeitverlängerungen werden dann mit vorbestimmen Eichwerten verglichen, die Kennwerte der Materialschicht in Abhängigkeit von der Laufzeitverlängerung gegenüber Luft angeben. Derartige Eichwerte können durch eine Vormessung an Materialschichten gleichen Typs mit unterschiedlichen Kennwerten erhalten werden.

Das vorliegende Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch gegenüber bekannten Ultraschalltechniken aus, dass die Ultraschall-Impulse in einem Frequenzbereich in die Materialschicht eingestrahlt werden, in dem sie nicht in Material der Materialschicht einkoppeln.

Das vorliegende Verfahren ist somit ein kontaktloses Verfahren, das ohne Verwendung eines Kopplungsmediums auskommt. Das Verfahren beruht auf der überraschenden Beobachtung, dass die Ausbreitung des Ultraschalls in den untersuchten lockeren bzw. offenporigen Materialschichten verzögert wird, wenn die Ultraschall-Impulse nicht in das Festkörpermaterial der Materialschicht, bspw. in die ggf. die Materialschicht bildenden Fasern oder Partikel, einkoppeln. Die Verzögerung der Ultraschall-Impulse nimmt mit zunehmender Zahl von Fasern oder Partikeln, die zwischen Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger liegen, zu. Die Materialschichten bestehen dabei in der Regel aus einer Verteilung von Fasern oder Partikeln mit Luft- oder Gas-gefüllten Zwischenräumen, bspw. in Form von Matten oder Flocken.

Werden bspw. Fasermatten mit dem Verfahren untersucht, die durch eine Vielzahl übereinander geschichteter Fasern gebildet sind und eine von Luft durchdrungene (poröse) Struktur darstellen, so wird im Gegensatz zu den bekannten Ultraschalluntersuchungen an Festkörpern mit dem vorliegenden Verfahren eine Verlängerung der Laufzeit der Ultraschall-Impulse gegenüber der Laufzeit in Luft beobachtet. Diese Verlängerung ergibt sich dann, wenn die Ultraschall- Impulse gemäß dem vorliegenden Verfahren eine Frequenz aufweisen, bei der sie nicht in die Fasern einkoppeln. Bei einer Einkopplung würde aufgrund der höheren Geschwindigkeit des Ultraschalls in Festkörpern eine Verkürzung der Laufzeit eintreten.

Als Grund für die Laufzeitverlängerung werden beim vorliegenden Verfahren Vielfachreflexionen an den Fasern im untersuchten Schichtbereich angenommen, so dass die Ultraschall-Impulse gegenüber einer geradlinigen Ausbreitung in Luft oder einem Festkörper später am Ultraschall-Empfänger eintreffen. Die Anzahl der Reflexionen nimmt bei steigender Faserzahl auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger zu, so dass damit auch eine Verlängerung der Laufzeit mit zunehmender Faserzahl erklärbar ist. Somit werden beim vorliegenden Verfahren in unterschiedlichen Bereichen einer Fasermatte, die eine unterschiedliche Anzahl von Fasern bzw. eine unterschiedliche Flächenmasse aufweisen, unterschiedliche Laufzeiten der Ultraschall-Impulse gemessen. Durch Vergleich der gemessenen Laufzeiten mit vorbestimmten Referenzwerten, die für den jeweils untersuchten Typ der Materialschicht vorab ermittelt werden können, lassen sich dann Kennwerte der Materialschicht, insbesondere die Flächenmasse und/oder die Anzahl der Fasern oder Partikel zwischen Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger, bestimmen. Weiterhin kann durch einfache Messung der Laufzeiten an örtliche unterschiedlichen Bereichen der Materialschicht die Homogenität der Materialschicht erfasst werden. Bei annähernd gleichen Laufzeiten liegt eine homogene Faser- bzw. Partikelverteilung über die untersuchte Fläche der Materialschicht vor. Größere Unterschiede sind ein Anzeichen für größere Inhomogenitäten in der Faserverteilung. Die Laufzeiten können hierbei bspw. farblich codiert in einem 2D-Diagramm wiedergegeben werden, dessen x- und y-Achse der Längs- bzw. Querrichtung der untersuchten Fläche der Materialschicht entsprechen.

Für die Bestimmung der Kennwerte oder der Homogenität der Materialschicht ist es erforderlich, die Messung jeweils in geometrisch definierten Bereichen durchzuführen, um insbesondere für die Bestimmung der Flächenmasse die Größe der durchstrahlten Fläche der Materialschicht zu kennen, die in die Messung eingeht. Diese Fläche kann bspw. über eine Blende eingestellt werden, die zwischen dem Ultraschall-Sender und dem Ultraschall-Empfänger direkt über der Materialschicht angeordnet wird. Der Ort und die Größe der Blendenöffnung geben dabei den momentanen Untersuchungsbereich der Materialschicht an, über den die Messung mittelt. Das Verfahren kann auch ohne Einsatz einer Blende durchgeführt werden, wenn die Empfangs- bzw. Sendefläche des Ultraschall-Empfängers und/oder -Senders so nahe an der Materialschicht platziert wird, dass der vermessene Bereich durch die Empfangs- bzw. Sendefläche des Ultraschallschall-Empfängers und/oder -Senders definiert ist. Hierbei kann diese Fläche auch die Materialschicht berühren.

Für eine Vermessung der kompletten Fläche einer Materialschicht werden die geometrisch definierten Bereiche auf der Materialschicht kontinuierlich oder diskontinuierlich örtlich verändert, bis die vollständige Fläche vermessen bzw. abgerastert wurde. Hierbei ist es von Vorteil, wenn sich die Material schicht während der Messungen relativ zum Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger bewegt und/oder der Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger relativ zur Materialschicht bewegt werden, um die örtlich unterschiedlichen Bereiche zu vermessen. Selbstverständlich können mit mehreren Ultraschall-Sendern und/oder mehreren Ultraschall-Empfängern auch gleichzeitig Messungen in unterschiedlichen Bereichen durchgeführt werden.

Weiterhin lässt sich das vorliegende Verfahren auch zur Detektion von Abweichungen in der Homogenität schon im Produktionsprozeß der Materialschichten, insbesondere der Fasermatten, einsetzen. Hierzu werden kontinuierlich oder diskontinuierlich an unterschiedlichen Stellen der produzierten Fasermatten Messungen vorgenommen, um eine Abweichung um einen Mindestwert von einer vorgegebenen Solllaufzeit zu detektieren und diese Werte zur Steuerung des Produktionsprozesses zu nutzen.

Das Verfahren lässt sich somit als im Wesentlichen kontaktloses On-line-Messverfahren zur Bestimmung der Faserverteilung oder der Homogenität der Flächenmasse einer Materialschicht, insbesondere bei der Herstellung einer Fasermatte, einsetzen. Die Messung erfolgt durch Einstrahlung von Ultraschall-Impulsen durch Luft in die Materialschicht. Der Frequenzbereich, in dem die Ultraschall-Impulse eingestrahlt werden, wird dabei so gewählt, dass keine Einkopplung der Ultraschall-Impulse in das Material der Materialschicht stattfindet. Dies kann auch daran erkannt werden, dass sich eine Laufzeitverlängerung der Ultraschall-Impulse gegenüber einer geradlinigen Ausbreitung in Luft ergibt. Das vorliegende Verfahren lässt sich im Gegensatz zu einer Einkopplungstechnik, bei der die Ultraschallfrequenzen im Bereich der Resonanzen der Materialschicht liegen müssen, mit sehr einfachem Aufwand realisieren. So ist bspw. bei der Vermessung von Fasermatten eine Einstrahlung der Ultraschallsignale mit einer definierten Frequenz von bspw. 40 oder 250 kHz vollkommen ausreichend. Die Bestimmung der Kennwerte und/oder der Homogenität der Flächenmasse der Materialschicht erfordert dabei lediglich die Bestimmung der Laufzeit der Ultraschall-Impulse zwischen Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger sowie ggf. einen Vergleich mit Referenzwerten. Mit dem vorliegenden Verfahren lässt sich daher die örtliche Verteilung der Flächenmasse einer Materialschicht auf einfache Weise bestimmen. Auch eine Überwachung der Homogenität einer Materialschicht ohne Bestimmung der konkreten Flächenmassen ist mit dem Verfahren problemlos möglich.

Für eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Vermessung einer Materialschicht kann bspw. ein großflächiger (zeilenförmiger) Ultraschall-Sender gegenüber einer Zeile von einzelnen Ultraschall-Empfängern für eine zeilenweise Bestimmung der Flächenmasse der Materialschicht eingesetzt werden. Auch eine Anordnung eines großflächigen (zeilenförmigen) Ultraschall-Empfängers gegenüber einer Zeile von einzelnen Ultraschall-Sendern ist für die zeilenweise Bestimmung der Flächenmasse möglich. Schließlich lassen sich bspw. mehrere auch Ultraschall-Empfänger und Ultraschall-Sender jeweils gegenüberliegend zeilenweise anordnen, um das Verfahren durchzuführen. In einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit wird zumindest ein Paar aus Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger zeilenweise über die Materialschicht geführt, die sich gleichzeitig senkrecht zur Zeilenrichtung zwischen Sender und Empfänger hindurch bewegt.

Das vorliegende Verfahren lässt sich vorteilhaft bei der Herstellung von breiten Fasermatten, z. B. an Vlieslegemaschinen einsetzen, um eine Qualitätskontrolle durchzuführen und/oder den Herstellungsprozess zu optimieren. Das Verfahren kann auch lediglich der Prozessaufzeichnung dienen und lässt sich, da es kontaktlos arbeitet, sowohl im Bereich vernadelten als auch unvernadelten Materials problemlos einsetzen. Für eine Vermessung von kleineren Fasermatten kann zusätzlich eine x-y-Tischsteuerung zur punktförmigen Aufzeichnung der Flächenverteilung eingesetzt werden, mit der die Matten zur rasterförmigen Vermessung bewegt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs anhand von Ausführungsbeispielen nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
1 schematisch ein Beispiel für einen Messaufbau zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
2 ein Beispiel für gemessene Laufzeiten bei Durchgang durch Luft und durch ein Vlies; und
3 eine beispielhafte Darstellung eines 2D-Diagramms zur Visualisierung der gemessenen Laufzeiten bzw. der Homogenität einer Fasermatte.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein Beispiel für eine Messanordnung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Die Messanordnung setzt sich aus einem Ultraschall-Sender 1 und einem gegenüberliegenden Ultraschall-Empfänger 2 zusammen, die an einem Ultraschall-Signalgenerator 3 zur Erzeugung eines getriggerten Ultraschall-Impulses angeschlossen sind. Der Ultraschall-Signalgenerator 3 und der Ultraschall-Detektor 2 sind weiterhin mit einem PC mit Oszillograph-Funktion 4 zur Aufzeichnung des vom Ultraschall-Detektor 2 empfangenen Ultraschall-Signals verbunden. Die Materialschicht, im vorliegenden Beispiel ein Vlies 5, ist in einem geringen Abstand über dem Ultraschall-Empfänger 2 angeordnet, so dass die jeweils untersuchte Fläche des Vlieses durch die Empfangsfläche des Ultraschall-Empfängers 2 vorgegeben ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Blende 6 aus einem für den Ultraschall undurchlässigen Material, bspw. eine Metallfolie mit einer Öffnung (z. B. ein Quadrat mit einer definierten Fläche) direkt über dem Vlies 5 angeordnet werden, um die untersuchte Fläche zu verkleinern bzw. zu begrenzen und damit die lokale Auflösung des Verfahrens zu verbessern.
Die Messung wird in diesem Beispiel mit einem Ultraschall-Impuls einer Frequenz von 250 kHz durchgeführt. Die Laufzeit des Ultraschall-Impulses in Luft t₀ beträgt bei einem Abstand L zwischen Sender und Empfänger von 41 mm ca. 127 μs. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt etwa 330 m/sec unter Normaldruck und bei Raumtemperatur. Beim Durchlaufen eines typischen Vlieses 5 wird die Laufzeit des Ultraschall-Impulses t_x = 130,3 μs um ca. Δt = 3,3 μs verzögert. Diese Laufzeit wird an dem PC-Oszillographen 4 gemessen, der das empfangene Ultraschall-Signal 8 sowie ein Triggersignal 7 des Ultraschall-Signalgenerators 3 erhält, aus denen die Verzögerungszeit berechnet werden kann.
Vorzugsweise wird das Vlies 5 bereits während oder direkt im Anschluss an den Herstellungsprozess mit dem vorliegenden Verfahren vermessen, wobei das Vlies in einer Richtung zwischen dem Ultraschall-Sender 1 und dem Ultraschall-Empfänger 2 kontinuierlich hindurch bewegt wird. Die Anordnung aus Ultraschall-Sender 1 und Ultraschall-Empfänger 2 kann dabei bspw. senkrecht oder – unter Berücksichtigung der Weiterbewegung des Vlieses – auch schräg zur Bewegungsrichtung des Vlieses 5 zeilenweise hin- und herbewegt werden, um die gesamte Fläche zu vermessen. Das Zeitintervall zur jeweiligen Bestimmung der Laufzeiten wird vorzugsweise so kurz eingestellt, dass sich das Vlies in diesem Zeitintervall nur wenig weiterbewegt. Ein eventueller Versatz des Vlieses während der Abrasterung der Zeile kann bei einer 2D-Darstellung, wie sie in 3 beispielhaft gezeigt ist, mit eingerechnet werden.
2 zeigt beispielhaft die Laufzeiten des Ultraschallsignals von t₀ = 127 μs an Luft (Teilabbildung a) und von t_x = 130,3 μs an einem Vlies (Teilabbildung b) bei dem gewählten Abstand L von 41 mm zwischen Ultraschall-Sender 1 und Ultraschall-Empfänger 2. Aus den beiden Teilabbildungen ist, durch die gestrichelten senkrechten Linien angedeutet, deutlich die Laufzeitverzögerung des Ultraschall-Impulses durch das Vlies zu erkennen.
Durch Auftragung der an den unterschiedlichen Orten des Vlieses gemessenen Laufzeiten über der Fläche kann ein Bild der Homogenität des Vlieses erstellt werden. Schwachstellen im Vlies können in dieser Darstellung sofort erkannt werden.
3 zeigt hierbei bspw. eine 2D-Kontur der Laufzeitverzögerung Δt an einem Vlies mit einer Fläche von 500 × 500 mm². Die unterschiedlichen, in der Figur erkennbaren Flächen sind Bereiche des Vlieses mit unterschiedlichen Flächenmassen. Insbesondere die Bereiche mit der geringsten Laufzeitverzögerung stellen die Schwachpunkte der Fasermatte dar. Eine derartige Darstellung wird vorzugsweise farblich codiert visualisiert, so dass die Schwachstellen für den Betrachter sofort anhand der Farbe erkennbar sind.
Durch vorherige Eichmessungen für den jeweiligen Vliestyp können den Verzögerungszeiten auch die entsprechenden Flächenmassen zugeordnet werden, so dass anstelle der Verzögerungszeit in diesem Fall direkt die Flächenmasse des jeweils vermessenen Bereiches Vlieses angegeben werden kann.

1: Ultraschall-Sender
2: Ultraschall-Empfänger bzw. -Detektor
3: Ultraschall-Signalgenerator
4: PC-Oszillograph
5: Vlies
6: Blende
7: Triggersignal
8: Ultraschallsignal (Messsignal)

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer offenporigen Materialschicht (5), insbesondere einer Fasermatte, bei dem – auf einer Seite der Materialschicht (5) zumindest ein Ultraschall-Sender (1) und auf einer gegenüber liegenden Seite zumindest ein Ultraschall-Empfänger (2) eingesetzt wird, – die Materialschicht (5) in einem oder mehreren geometrisch definierten Bereichen mit einem oder mehreren Ultraschall-Impulsen durchstrahlt wird, – die Laufzeit der Ultraschall-Impulse zwischen dem Ultraschall-Sender (1) und dem Ultraschall-Empfänger (2) für jeden der Bereiche gemessen wird, und – aus der Laufzeit die Kennwerte der Materialschicht (5) in den Bereichen durch Vergleich mit Referenzwerten bestimmt werden und/oder die Homogenität der Materialschicht (5) durch Vergleich der Laufzeiten, die an örtlich unterschiedlichen Bereichen der Materialschicht (5) gemessen wurden, bestimmt wird, – wobei die Ultraschall-Impulse in einem Frequenzbereich in die Materialschicht (5) eingestrahlt werden, in dem sie nicht in Material der Materialschicht (5) einkoppeln und der Vergleich mit Referenzwerten einen Berechnungsschritt umfasst, in dem aus der oder den gemessenen Laufzeit(en) jeweils eine Laufzeitverlängerung gegenüber einer Laufzeit durch Luft berechnet wird, wobei die berechneten Laufzeitverlängerungen zur Bestimmung der Kennwerte mit vorbestimmten Eichwerten als Referenzwerte verglichen werden, die Kennwerte der Materialschicht (5) in Abhängigkeit von der Laufzeitverlängerung gegenüber Luft angeben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kennwerte die Flächenmasse der Materialschicht (5) und/oder eine Anzahl von die Materialschicht (5) bildenden Partikeln und/oder Fasern über die Fläche der Materialschicht (5) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blende (6) so vor dem Ultraschall-Empfänger (2) oder der Materialschicht (5) angeordnet wird, dass der jeweils geometrisch definierte Bereich durch eine eingestellte Blendenöffnung der Blende (6) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Empfänger (2) und/oder -Sender (3) so nahe an der Materialschicht (5) angeordnet wird, dass der jeweils geometrisch definierte Bereich durch eine Empfangs- und/oder Sendefläche des Ultraschall-Empfängers (2) und/oder -Senders (3) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Laufzeiten, die an örtlich unterschiedlichen Bereichen der Materialschicht (5) gemessenen wurden, oder daraus abgeleitete Werte in einem 2D- oder 3D-Diagramm ortsaufgelöst visualisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (5) mit den Ultraschall-Impulsen durchstrahlt wird und die Laufzeiten der Ultraschall-Impulse gemessen werden, während sich die Materialschicht (5) relativ zum Ultraschall-Sender (1) und Ultraschall-Empfänger (2) bewegt und/oder der Ultraschall-Sender (1) und Ultraschall-Empfänger (2) miteinander relativ zur Materialschicht (5) bewegt werden, um örtlich unterschiedliche Bereiche der Materialschicht (5) zu vermessen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Empfänger und/oder der Ultraschall-Sender eine Sende- und/oder Empfangszeile zur zeilenweisen Vermessung der Materialschicht bilden, wobei sich die Materialschicht kontinuierlich zwischen beiden hindurch bewegt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Materialschicht kontinuierlich und die Erfassung der Laufzeiten in Zeitabständen erfolgt, die eine vollständige Vermessung der Materialschicht gewährleisten.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8 zur Überwachung der Homogenität der Materialschicht (5), bei dem Abweichungen von einer Soll-Laufzeit der Ultraschall-Impulse erfasst werden.