DE102006033665A1

DE102006033665A1 - Verfahren zur Ermittlung eines charakteristischen Parameters von Blistern einer Probe aus CFK

Info

Publication number: DE102006033665A1
Application number: DE200610033665
Authority: DE
Inventors: Hauke Lengsfeld; Peter Sander; Hans Marquardt; Rudolf Duwald
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-01-24

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens eines charakteristischen Parameters von Blistern (3, 3') einer Probe (1) aus CFK, insbesondere einer Probe aus Prepreg-Material, für die Luft- und Raumfahrt mit den folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen der Probe (1); Bestrahlen der Probe (1) mit einem vorbestimmten Spektrum elektromagnetischer Strahlung (11); Erfassen der Wechselwirkung zwischen der Probe (1) und der elektromagnetischen Strahlung (11) in einem Datensatz (13) und Ermitteln des wenigstens einen charakteristischen Parameters aus dem erfassten Datensatz (13).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines charakteristischen Parameters von Blistern einer Probe aus CFK, insbesondere einer Probe aus Prepreg-Material, für die Luft- und Raumfahrt.
Obwohl auf Proben aus beliebigem Kohlefaserkunststoff (CFK) anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Proben aus Prepreg-Material näher erläutert.
Gerade im Bereich der Luft- und Raumfahrt kommen CFK-Großbauteile, die aus Prepreg-Material hergestellt werden, wegen ihrer hohen Festigkeit bei geringem Gewicht und einfacher Verarbeitbarkeit verstärkt zum Einsatz. Prepreg-Material bezeichnet Halbzeuge, bestehend aus einem Fasergelege aus Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix, wobei sich die Endlosfasern in eine oder mehrere Richtung erstrecken. Die Qualität des verwendeten Prepreg-Materials, welches sich beispielsweise durch den Parameter Harzverteilung beschreiben lässt, ist dabei entscheidend für die Zuverlässigkeit, insbesondere die Festigkeit, der herzustellenden CFK-Großbauteile. Insofern ist eine Überprüfung der Qualität des Prepreg-Materials vor seiner Verarbeitung zu den CFK-Großbauteilen unerlässlich.
Ein beispielhaftes, so genanntes Micro-Pucker-Testverfahren sieht vor, eine DINA4-Blatt große Probe aus einer Bahn Prepreg-Material zu entnehmen und halbmondförmig zu biegen. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt einer solchen Probe 1 mit Fasern 1a, 1a', 1a'' und mit Biegeradius 1c. Auf der Innenseite 2 der Probe 1 angeordnete Fasern 1a'' werden dabei in ihrer Längsrichtung zusammengedrückt. In dem Fall, dass diese Fasern 1a'' nicht vollständig in der Hartmatrix 1b eingebettet sind, also eine unzureichende Harzverteilung in dem Kunststoffgelege vorliegt, hier mit dem Hohlraum 1d angedeutet, kommt es zu einem Ausbeulen dieser Fasern 1a'' oder sogar ganzer Faserbündel. Solche Ausbeulungen sind allgemein als Blister 3 bekannt. Diese Blister 3 werden anschließend von einer Person ausgezählt. Dabei gilt, dass, je geringer die Blisteranzahl ist, desto besser ist die Harzverteilung und -durchdringung in dem Fasergelege.
Die Auszählung der Blister durch eine Person bei dem Micro-Pucker-Testverfahren ist sehr zeitaufwändig. Weiterhin kommt es vor, dass sich die Person verzählt und folglich die Qualität der Probe falsch bewertet wird. Folglich besteht bei dem gegenwärtigen Testverfahren ein Risiko bei der Bewertung der Zuverlässigkeit der CFK-Großbauteile.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung wenigstens eines charakteristischen Parameters von Blistern einer Probe aus CFK, insbesondere einer Probe aus Prepreg-Material, für die Luft- und Raumfahrt bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß wird ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens eines charakteristischen Parameters von Blistern einer Probe aus CFK, insbesondere einer Probe aus Prepreg-Material, für die Luft- und Raumfahrt mit folgenden Verfahrensschritten bereitgestellt: Bereitstellen der Probe, Bestrahlen der Probe mit einem vorbestimmten Spektrum elektromagnetischer Strahlung, Erfassen der Wechselwirkung zwischen der Probe und der elektromagnetischen Strahlung in einem Datensatz und Ermitteln des wenigstens einen charakteristischen Parameters aus dem erfassten Datensatz.
Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber dem eingangs genannten Ansatz den Vorteil auf, dass mittels des Verfahrens wenigstens ein charakteristischer Parameter von Blistern sehr exakt ermittelt werden kann und somit die Zuverlässigkeit der hergestellten CFK-Großbauteile erhöht wird.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung.
Unter einem Datensatz ist in dieser Patentanmeldung auch jegliche Art von Bild zu verstehen.
Unter einem Blister ist in dieser Patentanmeldung jegliche Art von Blase, Bläschen und/oder Ausbeulung zu verstehen. Diese können mit Harz, Luft oder einem anderen Gas gefüllt sein. Die Blister können dabei beispielsweise rund oder oval ausgebildet sein. Auch andere Ausbildungen sind denkbar.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt der wenigstens eine charakteristische Parameter eine Anzahl und/oder Größe von Blistern auf einer Oberfläche der Probe. In Abhängigkeit von der Anzahl und/oder Größe kann eine sehr genaue Klassifizierung, beispielsweise geeignet/bedingt geeignet/ungeeignet für die weitere Bearbeitung des Prepreg-Materials, einfach erfolgen.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung trifft die elektromagnetische Strahlung schräg auf die Oberfläche der Probe auf. Durch den schrägen Lichteinfall ergibt sich ein Licht-Schatten-Spiel, welches die Ermittlung des wenigstens einen charakteristischen Parameters vereinfacht.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Datensatz mit Hilfe eines Oberflächenscanners erfasst und in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet. Der Einsatz von Oberflächenscannern zum Scannen bzw. Abtasten von Oberflächen ist kostengünstig.
Gemäß einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden unterschiedlichen Oberflächenbereichen der Probe zugeordnete Intensitäten der mit den Oberflächenbereichen wechselgewirkten Strahlung in dem Datensatz erfasst. Die Probe weist mehrere Oberflächenbereiche auf, welche sich in ihrem Aufbau, also beispielsweise mit oder ohne Blister, derart unterscheiden, dass auf die mehreren Oberflächenbereiche auftreffende Strahlung mit unterschiedlichen Intensitäten reflektiert wird. Anhand der unterschiedlichen Intensitäten lässt sich der wenigstens eine charakteristische Parameter ermitteln.
Alternativ könnten auch die Wellenlängen der mit der Probe wechselgewirkten Strahlung analysiert werden, um auf den wenigstens einen charakteristischen Parameter zu schließen.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden zur Ermittlung der Anzahl und/oder Größe von Blistern die mit einem vorbestimmten Intensitätsbereich übereinstimmenden zugeordneten Intensitäten summiert. Die unterschiedlichen Oberflächenbereiche der Probe können somit auf sehr einfache Weise ausgewertet werden. Beispielsweise lässt sich so auch unkompliziert der flächenmäßige Anteil der Blister an der untersuchten Oberfläche der Probe ermitteln. Anhand dieses flächenmäßigen Anteils von Blistern an der Oberfläche lassen sich Rückschlüsse auf beispielsweise die Harzverteilung und damit die Zuverlässigkeit des herzustellenden CFK-Großbauteils ziehen.
Allgemein können alle hier genannten Auswertevorgänge, wie beispielsweise das Ermitteln oder Summieren mittels der Auswerteeinrichtung, die insbesondere als Rechnereinrichtung ausgebildet ist, ausgeführt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 schematisch einen Verfahrenszustand beim Scannen einer Oberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht aus 1;
3 ein Bild einer beispielhaften erfassten Probenoberfläche gemäß dem Ausführungsbeispiel; und
4 einen Querschnitt einer beispielhaften Probe.
In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern nichts Anderes angegeben ist - mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
1 zeigt schematisch eine flächige Probe 1 aus Prepreg-Material und 2 eine Draufsicht aus 1. Die Probe 1 weist an ihrer Unterseite 2 mehrere Blister 3 auf. Die Unterseite 2 der Probe 1 bzw. die Blister 3 liegen auf einer transparenten Scheibe 4 auf. Die transparente Scheibe 4 wird dabei von einem Haltegestell 5 in einem Winkel 6 zu einer Grundfläche 7 gehalten. Eine Scannereinrichtung 8 ist dazu ausgelegt, sich unterhalb der transparenten Scheibe 4 entlang der x-Achse zu bewegen. Die Scannereinrichtung 8 weist dabei eine Strahlenquelle 9 und eine Erfassungseinrichtung 10 zum Erfassen von Strahlung 11 auf.
Bedingt durch den Winkel 6 trifft die von der Strahlenquelle 9 senkrecht zur Grundfläche 7 erzeugte Strahlung 11 unter einem Winkel auf die Unterseite 2 der Probe 1 mit den Blistern 3 auf. Dadurch entsteht ein Licht-Schatten-Spiel, welches einfach erfasst wird, um die Anzahl und/oder Größe der Blister 3 zu ermitteln. Die Strahlung 11, beispielsweise Licht oder vorzugsweise weißes Licht, wird von der Unterseite 2 reflektiert und von der Erfassungseinrichtung 10 erfasst, beispielsweise mittels geeigneter Charged Coupled Devices (CCD)-Elemente der Erfassungseinrichtung 10. Die Scannereinrichtung 8 ist typischerweise als eine allgemein bekannte Scannereinrichtung ausgebildet.
In Abhängigkeit von der Intensität der erfassten Strahlung erzeugt die Erfassungseinrichtung 10, wie in 3 gezeigt, einen Datensatz 13, welchen sie an eine als Rechnereinheit ausgebildete Auswerteeinrichtung 12 be reitstellt. In dem Datensatz 13 werden Lichtintensitäten, beispielsweise in der Einheit Candela, erfasst, auch als Grauwertmessung bekannt, wobei die Lichtintensitäten 15, 15' unterschiedlichen Oberflächenbereichen der Probe 1 zugeordnet sind.
Die unterschiedlichen Oberflächenbereiche der Unterseite 2 der Probe 1, beispielsweise mit oder ohne Blister 3, bewirken, dass die von der Unterseite 2 reflektierte Strahlung 11, also die wechselgewirkte Strahlung, mit verschiedenen Intensitäten 15, 15' auf der Erfassungseinrichtung 10 auftrifft. Alternativ kann die wechselgewirkte Strahlung 11 auch das Material durchdringen, wie beispielsweise bei Röntgenstrahlung, wobei die Erfassungseinrichtung 10 dann von der Strahlenquelle 9 aus gesehen hinter der Probe 1 angeordnet ist.
Die Anzahl der Blister 3, 3' kann beispielsweise wie folgt ermittelt werden.
Ein vorbestimmter Intensitätsbereich, beispielsweise 0,7 bis 0,8 cd, welcher einem Oberflächenbereich mit Blistern 3 entspricht, wird mit den in dem Datensatz 13 erfassten, den unterschiedlichen Oberflächenbereichen der Unterseite 2 der Probe 1 zugeordneten Intensitäten 15, 15' mittels der Auswerteeinrichtung 12 verglichen. Diese Intensitäten 15, 15' können beispielsweise verschiedenen Grautönen von Weiß bis Schwarz entsprechen. Wird festgestellt, dass die zugeordneten Intensitäten 15, 15' innerhalb des vorbestimmten Intensitätsbereichs liegen, also beispielsweise dass die zugeordneten Intensitäten 15, 15' innerhalb einem bestimmten Graubereich liegen, wird von der Auswerteeinheit 12 festgestellt, dass eine Blister 3 in dem ausgewählten Oberflächenbereich 15 liegt.
Weiterhin kann die Auswerteeinheit 12 auch entscheiden, dass, wenn mehrere aneinander angrenzende Oberflächenbereiche Intensitäten 15, 15' in dem vorbestimmten Intensitätsbereich aufweisen, diese mehreren Oberflächenbereiche eine einzige Blister 3 zeigen. Mittels Auswertung aller Intensitäten des Rasters 14 kann eine Anzahl der Blister 3, 3' auf der Unterseite 2 der Probe 1 ermittelt werden.
Die Größe einer Blister 3 ergibt sich aus der Summe von aneinander angrenzenden Oberflächenbereichen mit Intensitäten 15, 15', welche innerhalb des vorbestimmten Intensitätsbereichs liegen, wobei die Flächen der Oberflächenbereiche addiert werden. Allerdings sollte dazu das Raster 13 mit einer entsprechend hohen Auflösung gewählt werden. Das Bezugszeichen 3' deutet einen Bereich des Rasters 13 an, der einem Oberflächenbereich entspricht, der eine größere Blister als Blister 3 aufweist, an.
Die Anzahl und/oder Größe der Blister wird von einer Ausgabeeinrichtung als charakteristischer Parameter ausgegeben.
Die Erfindung ist nicht auf das in den Figuren dargestellte, spezielle Verfahren zur Ermittlung wenigstens eines charakteristischen Parameters von Blistern einer Probe aus CFK, insbesondere einer Probe aus Prepreg-Material, für die Luft- und Raumfahrt beschränkt.
Vielmehr ist die Folge einzelner Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auf vielfältige Arten veränderbar. Auch die Ausgestaltung der einzelnen Verfahrensschritte kann modifiziert werden.
Beispielsweise kann die transparente Scheibe gewölbt ausgebildet sein. Eine Wölbung, beispielsweise in Z- Richtung, würde zu einer starken Ausprägung der Blister, wie dargestellt in 4, auf der Unterseite der Probe führen, die sich somit leicht erfassen lassen würden.
Weiterhin können auch geeignete Befestigungsmittel vorgesehen sein, um die Probe auf der gewölbten transparenten Scheibe zu befestigen und beispielsweise unter Spannung zu halten.
Ferner kann auch eine automatisierte Probenzufuhr, wobei die Probe automatisch auf die transparente Scheibe abgelegt wird, vorgesehen sein.

1: Probe
1a: Faser
1a': Faser
1a'': Faser
1b: Harz
1c: Biegeradius
1d: Hohlraum
2: Unterseite der Probe
2a: Oberseite der Probe
3: Blister
3': Blister
4: Transparente Scheibe
5: Haltegestell
6: Winkel
7: Grundfläche
8: Scannereinrichtung
9: Strahlenquelle
10: Erfassungseinrichtung
11: Strahlung
12: Auswerteeinheit
13: Datensatz
14: Raster
15: Intensität
15': Intensität

Claims

Verfahren zur Ermittlung wenigstens eines charakteristischen Parameters von Blistern (3, 3') einer Probe (1) aus CFK, insbesondere einer Probe aus Prepreg-Material, für die Luft- und Raumfahrt mit den folgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellen der Probe (1); – Bestrahlen der Probe (1) mit einem vorbestimmten Spektrum elektromagnetischer Strahlung (11); – Erfassen der Wechselwirkung zwischen der Probe (1) und der elektromagnetischen Strahlung (11) in einem Datensatz (13); und – Ermitteln des wenigstens einen charakteristischen Parameters aus dem erfassten Datensatz (13).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den wenigstens einen charakteristischen Parameter eine Anzahl und/oder Größe der Blister auf einer Oberfläche der Probe (1) beschrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (11) schräg auf eine Oberfläche (2) der Probe (1) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datensatz (13) mit Hilfe eines Oberflächenscanners (9, 10) erfasst und in einer Auswerteeinrichtung (10) ausgewertet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlichen Oberflächenbereichen der Probe zugeordnete Intensitäten (15, 15') der mit diesen Oberflächenbereichen wechselgewirkten Strahlung (11) in dem Datensatz (13) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittelung der Anzahl und/oder Größe der Blister (3, 3') die mit einem vorbestimmten Intensitätsbereich übereinstimmenden zugeordneten Intensitäten (15, 15') summiert werden.