DE102010022454B4

DE102010022454B4 - Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts eines Bauteils

Info

Publication number: DE102010022454B4
Application number: DE102010022454.5A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Ströhlein Tobias; Dipl.-Ing.(FH) Niemann Steffen; Dipl.-Ing. Krzikalla Philipp
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: DE102010022454A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung unter Verwendung eines einen Feuchtigkeitsgehalt aufweisenden Bauteils (5), wobei mittels einer Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung eine Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts des Bauteils (5) erfolgt, mit den Schritten: a) Einkoppeln eines magnetischen Wechselfelds in das Bauteil (5), b) Empfangen des von dem Bauteil (5) in Reaktion auf das eingekoppelte magnetische Wechselfeld abgegebenen magnetischen Wechselfelds, c) Bestimmen des zeitlichen Gradienten des empfangenen magnetischen Wechselfelds, d) Überwachen des zeitlichen Gradienten des empfangenen magnetischen Wechselfelds, e) Erzeugen eines Signals, wenn der zeitliche Gradient einen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wobei die Schritte a) bis e) von einer Auswerteeinrichtung (2) der Feuchtigkeits-Kontrollvorrichtung ausgeführt werden; und Herstellen der Einrichtung mit dem Bauteil (5) nach Auftreten des Signals, das erzeugt wird, wenn der zeitliche Gradient einen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung unter Verwendung eines einen Feuchtigkeitsgehalt aufweisenden Bauteils gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung gemäß Anspruch 6.
Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung liegt im Bereich der Herstellung von Faserverbundbauteilen. Grundsätzlich kann die Erfindung aber in jedem Bereich vorteilhaft verwendet werden, in dem der Feuchtigkeitsgehalt eines Bauteils, insbesondere eines Halbzeugs, kontrolliert werden soll.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen ist die Reinheit der verwendeten Komponenten wichtig für die Qualität des resultierenden Bauteils. So wird dem Harzsystem daher vor Infusion in einem Exsikkator eingeschlossene Luft entnommen, die sonst während des Aushärtens zur Blasenbildung im Bauteil führen würde. Ein weiterer Schritt zur Vorbereitung der Infusion besteht darin, das Faserhalbzeug zu trocknen. Das enthaltene Wasser würde während des Aushärtens bei Temperaturen oberhalb der Kondensationstemperatur von Wasser in den gasförmigen Zustand übergehen und somit ebenfalls zur Blasenbildung führen. Sofern die Aushärtetemperatur des Faserhalbzeugs unterhalb der Kondensationstemperatur von Wasser liegt, würde die eingeschlossene Feuchtigkeit eine gleichmäßige Imprägnierung der Fasern mit dem Harzsystem verhindern. Beide Effekte würden zu einem Faserverbundbauteil mit unzureichender Qualität führen. insbesondere wären die mechanischen Kennwerte und die Dauerfestigkeit unzureichend. Daher ist eine ausreichende Trocknung des Faserhalbzeugs vor einer Verarbeitung zu einem Faserverbundbauteil sicher-zustellen. Aus diesem Grund werden die verwendeten Faserhalbzeuge zur Trocknung vor der Verarbeitung in einen Ofen verbracht und dort relativ lange getrocknet.
In der DE 10 2007 006 702 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beurteilung der Qualität von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen und deren Vorformen beschrieben. Aus der Veröffentlichung ”Non-destructive characterisation of carbon-fibre-reinforced plastics by means of eddy-currents”, von Gerhard Mook, Rolf Lange und Ole Koeser, Composites Science and Technology 61 (2001), Seiten 865 bis 873, gehen Vorschläge für die Charakterisierung von karbonverstärkten Kunststoffen mittels Wirbelströmen hervor. Aus der WO 2008/091772 A1 gehen ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erkennung von Inkonsistenzen in faserverstärkten Kunststoffteilen unter Nutzung von Wirbelströmen hervor. Aus der Veröffentlichung „Effect of moisture and corrosive media on the physicomechanical characteristics of carbon plastics” von A. V. Karlashov, E. M. Babenko, G. M. Borozenets, V. V. Chernyak, K. V. Markevich, UDC 629.73-036.5 gehen Untersuchungen bezüglich der Einflüsse von Feuchtigkeit und korrosiven Medien auf die Eigenschaften von Karbonkunststoffen hervor. Aus der DE 19853709 C1 geht eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen bzw. Kunststoffbauteilen nach einem modifizierten RTM-Verfahren hervor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Berücksichtigung der beschriebenen Feuchtigkeitsproblematik eine effiziente und kostengünstige Herstellung von Bauteilen in bestmöglicher Qualität anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 6 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
Mit der Erfindung wird ein vorteilhafter Weg aufgezeigt, eine ausreichende Trocknung des Bauteils, das verarbeitet werden soll, auf einfache und schnelle Weise zu ermöglichen. Hierbei wird zur Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts des Bauteils der zeitliche Gradient eines durch das Bauteil übertragenen elektrisch/magnetischen Signals ausgewertet. Sofern der zeitliche Gradient einem ausreichend geringen Wert zustrebt, kann von einer ausreichenden Trocknung des Bauteils ausgegangen werden.
Das Bauteil kann z. B. ein Faserhalbzeug sein, z. B. ein Kohlefaser-Halbzeug.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen werden die verwendeten Faserhalbzeuge zur Trocknung vor der Verarbeitung in einen Ofen verbracht. Bisher konnte die genaue erforderliche Dauer der Trocknung im Ofen nicht sicher vorher-gesagt werden. Die Dauer des Trocknungsprozesses wurde daher aufgrund von Erfahrungswerten unter Berücksichtigung eines zusätzlichen „Sicherheitszeitraums” vorgenommen, um die ausreichende Trocknung sicherzustellen. Die Erfindung erlaubt es, die ausreichende Trocknung des Bauteils messtechnisch zu kontrollieren. Hierdurch kann der Trocknungsprozess im Ofen verkürzt werden, was insgesamt zu einer schnelleren und effizienteren Fertigung von Bauelementen, wie zum Beispiel Faserverbundbauteilen, beiträgt.
Das in das Bauteil eingekoppelte magnetische Wechselfeld weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine zeitlich gleich bleibende Amplitude auf. Die Überwachung des empfangenen Felds erfolgt dann beispielsweise durch zeitliche Ableitung des empfangenen Signals und durch Überprüfung, ob die zeitliche Ableitung einen bestimmten Grenzwert erreicht. Das in das Bauteil eingekoppelte magnetische Wechselfeld kann auch ein zeitlich veränderbares Feld sein, in diesem Fall erfolgt die Überwachung des empfangenen magnetischen Wechselfelds vorteilhaft unter Berücksichtigung der Signalamplitude des eingekoppelten Felds zum jeweiligen Zeitpunkt. Hierdurch wird der zeitveränderliche Einfluss des eingekoppelten Felds kompensiert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zum Einkoppeln des magnetischen Wechselfelds eine Sendeeinrichtung und zum Empfangen des magnetischen Wechselfelds eine Empfangseinrichtung vorgesehen. Die Empfangseinrichtung wird in einem Abstand von der Sendeeinrichtung angeordnet. Hierdurch kann eine Signalübertragung durch vorbestimmte Stellen oder Regionen des zu kontrollierenden Bauteils erfolgen.
Vorteilhaft erzeugt das eingekoppelte magnetische Wechselfeld Wirbelströme in dem Bauteil. Die Wirbelströme erzeugen wiederum ein magnetisches Wechselfeld, das empfangen werden kann. Im Falle eines Kohlefaser-Halbzeugs oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material des Bauteils werden die Wirbelströme auch im Material des Bauteils, z. B. in den elektrisch leitfähigen Kohlefasern, erzeugt.
Prinzipiell kann die Empfangseinrichtung auch als ein Bauteil mit der Sendeeinrichtung ausgebildet sein, zum Beispiel als eine einzige Spule. In diesem Fall wird abwechselnd gesendet und empfangen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zum Einkoppeln des magnetischen Wechselfelds eine Sendeeinrichtung verwendet, die eine elektrische Spule aufweist. Die elektrische Spule wird mit einer Wechselspannung beaufschlagt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung unter Verwendung eines einen Feuchtigkeitsgehalt aufweisenden Bauteils. Hierbei wird der Feuchtigkeitsgehalt gemäß der zuvor beschriebenen Verfahrensweise kontrolliert. Nach Auftreten des Signals, das erzeugt wird, wenn die zeitliche Veränderung einen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wird die Einrichtung mit dem Bauteil hergestellt. Das Verfahren kann in der Produktion von beliebigen Einrichtungen, wie zum Beispiel Faserverbundbauteilen oder aus Faserverbundbauteilen und anderen Bauteilen zusammengesetzten Einrichtungen, verwendet werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung für ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung unter Verwendung eines einen Feuchtigkeitsgehalt aufweisenden Bauteils, mit einem Sender, einem Empfänger und einer Auswerteeinrichtung. Die Auswerteeinrichtung ist zur Ausführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art eingerichtet. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise einen Computer oder einen Mikroprozessor aufweisen, der durch entsprechende Software-Programmierung zur Ausführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung eine Sendeeinrichtung zum Einkoppeln des elektromagnetischen Felds und eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des elektromagnetischen Felds auf. Die Empfangseinrichtung ist dabei in einem Abstand von der Sendeeinrichtung angeordnet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Sendeeinrichtung und/oder die Empfangseinrichtung eine elektrische Spule auf. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die elektrische Spule der Sendeeinrichtung mit einer Wechselspannungsquelle verbunden.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist ein Induktor vorgesehen, der eine Spule aufweist, die Wechselstrom-durchflossen ein elektromagnetisches Wechselfeld aussendet. Vorteilhaft wird der Induktor als Sendeeinrichtung und/oder als Empfangseinrichtung verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung einen Induktor auf, der die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung aufweist. Hiermit können die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung in einer gemeinsamen Baueinheit, nämlich dem Induktor, angeordnet werden. Hierdurch kann ein definierter, gleich bleibender Abstand zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung auf einfache Weise realisiert werden. Zudem kann der Induktor, der zum Beispiel mit einem Handgriff ausgestattet sein kann, manuell leicht von einer Messposition des zu kontrollierenden Bauteils zu einer anderen Messposition verbracht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung einer Zeichnung näher erläutert.
Die 1 zeigt eine Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung mit einem Wechselstromtransformator 1, einer Messeinheit 2, einer als Sendeeinrichtung verwendeten Sendespule 3 und einer als Empfangseinrichtung verwendeten Empfängerspule 4. Die Sendespule 3 und die Empfängerspule 4 sind in einem vorbestimmten Abstand voneinander auf einem Bauteil 5 positioniert. Das Bauteil 5 kann ein Faserhalbzeug sein. Die Messeinheit 2 kann eine Auswerteeinheit zur Auswertung der empfangenen Signale beinhalten oder mit einer externen Auswerteeinheit, zum Beispiel einem Computer, verbunden werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinheit mit einer Datenbank versehen oder verbunden. In der Datenbank können dann die Trocknungsdaten im Produktionsprozess protokolliert werden. Die in der Datenbank gespeicherten Daten können zur Dokumentation des Herstellungsprozesses verwendet werden und der Bauteil-Fertigungs-Dokumentation beigefügt werden.
Im Betrieb der Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung wird mittels einer von der Wechselspannung durchflossenen Sendespule 3 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und in das Bauteil 5 eingekoppelt. Die elektrische Energie wird mittels dieses magnetischen Felds direkt in elektrisch leitfähige Fasern des Bauteils 5 oder in aufgrund von Feuchtigkeit eine Leitfähigkeit aufweisende Bereiche des Bauteils 5 induziert. Der durch das induzierte Feld entstehende Wirbelstrom erzeugt wiederum ein magnetisches Wechselfeld in entgegengesetzter Richtung, das von dem Bauteil 5 abgestrahlt wird. Die Stärke dieses entstehenden Magnetfelds kann wiederum über die Empfängerspule 4 gemessen werden. Da die Übertragung der elektrischen Signale über das Bauteil 5 abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Einkopplungsbereichs ist und diese Leitfähigkeit wiederum von dem Feuchtigkeitsgehalt des Materials abhängt, ändert sich das in der Empfängerspule 4 gemessene Magnetfeld im Verlauf der Trocknung. Strebt die zeitliche Veränderung des Magnetfelds gegen Null oder sehr kleine Werte, ist voraussichtlich keine weitere Trocknung des Materials mehr möglich. Dann kann die Trocknungsphase als beendet betrachtet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung unter Verwendung eines einen Feuchtigkeitsgehalt aufweisenden Bauteils (5), wobei mittels einer Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung eine Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts des Bauteils (5) erfolgt, mit den Schritten: a) Einkoppeln eines magnetischen Wechselfelds in das Bauteil (5), b) Empfangen des von dem Bauteil (5) in Reaktion auf das eingekoppelte magnetische Wechselfeld abgegebenen magnetischen Wechselfelds, c) Bestimmen des zeitlichen Gradienten des empfangenen magnetischen Wechselfelds, d) Überwachen des zeitlichen Gradienten des empfangenen magnetischen Wechselfelds, e) Erzeugen eines Signals, wenn der zeitliche Gradient einen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wobei die Schritte a) bis e) von einer Auswerteeinrichtung (2) der Feuchtigkeits-Kontrollvorrichtung ausgeführt werden; und Herstellen der Einrichtung mit dem Bauteil (5) nach Auftreten des Signals, das erzeugt wird, wenn der zeitliche Gradient einen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (5) ein Faserhalbzeug zur Herstellung von Faserverbundteilen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einkoppeln des magnetischen Wechselfelds eine Sendeeinrichtung (3) verwendet wird, die eine elektrische Spule aufweist, und die elektrische Spule mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einkoppeln des magnetischen Wechselfelds eine Sendeeinrichtung (3) und zum Empfangen des magnetischen Wechselfelds eine Empfangseinrichtung (4) verwendet wird und die Empfangseinrichtung (4) in einem Abstand von der Sendeeinrichtung (3) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetisches Wechselfeld empfangen wird, das in Folge von Wirbelströmen erzeugt wird, die sich durch das eingekoppelte magnetische Wechselfeld bilden.
Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung für ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung unter Verwendung eines einen Feuchtigkeitsgehalt aufweisenden Bauteils (5), mit einem Sender (3), einem Empfänger (4) und einer Auswerteeinrichtung (2), wobei die Auswerteeinrichtung (2) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung eine Sendeeinrichtung (3) zum Einkoppeln des magnetischen Wechselfelds und eine Empfangseinrichtung (4) zum Empfangen des magnetischen Wechselfelds aufweist, wobei die Empfangseinrichtung (4) in einem Abstand von der Sendeeinrichtung (3) angeordnet ist.
Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (3) und/oder die Empfangseinrichtung (4) eine elektrische Spule aufweist.
Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeitsgehalts-Kontrollvorrichtung einen Induktor aufweist, der die Sendeeinrichtung (3) und die Empfangseinrichtung (4) aufweist.