DE102010035958B4

DE102010035958B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie Flugzeugstrukturbauteil

Info

Publication number: DE102010035958B4
Application number: DE102010035958A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2030-09-01
Also published as: DE102010035958B8; CN102380958A; CN102380958B; US20120217382A1; DE102010035958A1; US8859948B2

Abstract

Eine Vorrichtung (10) zur Herstellung eines Bauteils (12) umfasst einen Materialvorratsbehälter (20) zur Aufnahme eines flüssigen Materials (M), ein Formwerkzeug (24), in dem ein mit Material (M) aus dem Materialvorratsbehälter (20) zu füllender Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) ausgebildet ist, und eine Materialzufuhrleitung (38), die dem Materialvorratsbehälter (20) mit dem Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) verbindet. Im Bereich der Materialzufuhrleitung (38) und/oder des Füllbereichs (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) ist eine optische Faser (48a, 48b, 48c, 48d, 48e) angeordnet, in die mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (50) zur Erfassung eines für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung (38) und oder den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) charakteristischen Parameters integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung und Qualitätssicherung eines Bauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils. Ferner betrifft die Erfindung ein Flugzeugstrukturbauteil, insbesondere ein faserverstärktes Flugzeugstrukturbauteil, das zum Einsatz als lasttragendes Bauteil in einem Flugzeug geeignet ist.
Im Flugzeugbau gibt es Bestrebungen, als lasttragende Bauteile zunehmend Bauteile einzusetzen, die vollständig oder teilweise aus faserverstärkten Verbundmaterialien, beispielsweise kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bestehen. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2007 062 111 A1 eine aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff bestehende Querträgerstruktur, die der Abstützung der einzelnen Paneele eines Flugzeugfußbodensystems zur Trennung einer Passagierkabine von einem unterhalb der Passagierkabine angeordneten Frachtraum dient. Ferner ist es beispielsweise ebenfalls aus der DE 10 2007 062 111 A1 bekannt, in einem Flugzeug als Bodenpaneele oder Deckenpaneele in Sandwichbauweise ausgeführte Bauteile mit einem Kern sowie auf den Kern aufgebrachten Deckschichten aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial einzusetzen.
Zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Verbundmaterialien werden in der Regel zunächst die Verstärkungsfasern in ein Formwerkzeug eingebacht. Anschließend werden die Fasern mit dem üblicherweise in flüssiger Form vorliegenden Matrixmaterial getränkt. Schließlich erfolgt durch entsprechende Temperatur- und/oder Drucksteuerung die Aushärtung des Matrixmaterials. Bekannte Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Verbundmaterialien umfassen Injektionsverfahren, bei denen das flüssige Matrixmaterial unter erhöhtem Druck von über 6 bar in ein geschlossenes Formwerkzeug injiziert wird. Ferner sind Infusionsverfahren bekannt, bei denen die Verstärkungsfasern in ein offenes Formwerkzeug eingelegt und mit einer gasdurchlässigen, für das Matrixmaterial jedoch undurchlässigen semipermeablen Membran abgedeckt werden. Die semipermeable Membran wird von einer gasundurchlässigen Folie bedeckt, so dass zwischen der semipermeablen Membran und der gasundurchlässigen Folie ein Unterdruck angelegt und dadurch flüssiges Matrixmaterial in das Formwerkzeug gesaugt werden kann.
Unabhängig davon, ob ein Injektionsverfahren oder ein Infusionsverfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial eingesetzt wird, ist die Steuerung des Matrixmaterialflusses in und durch das Formwerkzeug von entscheidender Bedeutung für die Bauteilqualität. Daher wird der Matrixmaterialfluss bei der Bauteilherstellung nach einem Infusionsverfahren mit offenem Formwerkzeug üblicherweise mittels einer CCD-Kamera überwacht. Bei der Bauteilherstellung nach einem Injektionsverfahren mit geschlossenem Formwerkzeug ist dagegen die optische Überwachung des Matrixmaterialflusses nicht möglich, so dass hier Sensoren, wie z. B. Ultraschallsensoren, kapazitiv arbeitende Liniensensoren, Temperatursensoren oder Drucksensoren zum Einsatz kommen. Derartige sensorbasierte Messprinzipien sind jedoch aufgrund der Tatsache, dass die Sensoren nur mit dem tatsächlichen Fortschreiten der Matrixmaterialfront verbundene Änderungen der entsprechenden physikalischen Messgrößen erfassen können, in der Regel nicht echtzeitfähig.
Dokument DE 10 2005 032 367 A1 offenbart eine Spritzgussmaschine, die flüssiges Material in eine Kavität hineindrückt. Um zu überwachen, wie viel Zeit das flüssige Material zum Erreichen des Endes der Kavität benötigt, ist am Ende der Kavität ein Sensor angebracht, der das flüssige Material detektiert.
Die Erfindung ist auf die Aufgabe gerichtet, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils anzugeben, die eine einfache und zuverlässige Überwachung eines Materialflusses in und durch ein Formwerkzeug ermöglichen. Ferner ist die Erfindung auf die Aufgabe gerichtet, ein Flugzeugstrukturbauteil, insbesondere ein faserverstärktes Flugzeugstrukturbauteil bereitzustellen, das zum Einsatz als lasttragendes Bauteil in einem Flugzeug geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein Flugzeugstrukturbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils umfasst einen Materialvorratsbehälter zur Aufnahme eines flüssigen Materials. Bei dem in dem Materialvorratsbehälter aufgenommenen Material handelt es sich vorzugsweise um ein Material, beispielsweise ein Kunststoffmaterial, das als Matrixmaterial eines Faserverbundmaterials geeignet ist. Beispielsweise kann es sich bei dem in dem Materialvorratsbehälter aufgenommenen Material um ein aushärtbares Harz, insbesondere ein Epoxidharz oder ein Epoxid-Amin-Harz handeln. Beispielsweise kann der Materialvorratsbehälter mit einem RTM6-Harz der Firma Hexcel gefüllt sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner ein Formwerkzeug, in dem ein mit Material aus dem Materialvorratsbehälter zu füllender Füllbereich ausgebildet ist. Ferner ist eine Materialzufuhrleitung vorhanden, die den Materialvorratsbehälter mit dem Füllbereich des Formwerkzeugs verbindet.
In dem Formwerkzeug kann lediglich ein durchgängiger, mit Material aus dem Materialvorratsbehälter zu füllender Füllbereich ausgebildet sein. Alternativ dazu kann das Formwerkzeug jedoch auch mehrere mit Material aus dem Materialvorratsbehälter zu füllende, voneinander getrennte Füllbereiche aufweisen. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Formwerkzeugs sind vorzugsweise auch mehrere Materialzufuhrleitungen vorhanden, die die einzelnen, von einander getrennten Füllbereiche des Formwerkzeugs mit dem Materialvorratsbehälter verbinden. Ferner kann natürlich auch ein durchgängiger Füllbereich über mehrere Materialzufuhrleitungen mit dem Materialvorratsbehälter in Verbindung stehen, beispielsweise, wenn es gewünscht ist, den in dem Formwerkzeug ausgebildeten Füllbereich möglichst rasch, über verschiedene Materialeinlässe oder aus verschiedenen Richtungen mit Material aus dem Materialvorratsbehälter zu füllen.
Bei der Herstellung eines Bauteils mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das flüssige Material aus dem Materialvorratsbehälter durch die Materialzufuhrleitung in das Formwerkzeug und schließlich durch den Füllbereich des Formwerkzeugs gefördert, vorzugsweise bis der Füllbereich des Formwerkzeugs vollständig mit dem Material aus dem Materialvorratsbehälter gefüllt ist. Zur Förderung des Materials aus dem Materialvorratsbehälter in den Füllbereich des Formwerkzeugs kann eine geeignete Fördereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe vorhanden sein. die Pumpe kann dazu vorgesehen sein, das flüssige Material in dem Materialvorratsbehälter unter einen erhöhten Druck von beispielsweise über 6 bar zu setzen. Alternativ dazu kann die Fördereinrichtung jedoch auch dazu eingerichtet sein, einen Unterdruck in dem Füllbereich des Formwerkzeugs zu erzeugen und dadurch Material aus dem Materialvorratsbehälter in den Füllbereich des Formwerkzeugs zu saugen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Herstellung eines lediglich aus dem Material aus dem Materialvorratsbehälter bestehenden Bauteils eingesetzt werden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch zur Herstellung eines Bauteils zum Einsatz kommen, das zumindest abschnittsweise aus einem faserverstärkten Verbundmaterial besteht. Die Herstellung eines zumindest abschnittsweiseaus einem faserverstärkten Verbundmaterial bestehenden Bauteils mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann nach einem Injektionsverfahren oder einem Infusionsverfahren erfolgen. Ferner kann, je nach Bedarf, ein offenes oder ein geschlossenes Formwerkzeug verwendet werden. Unabhängig von der Ausgestaltung der Fördereinrichtung und des Formwerkzeugs kommt es jedoch stets zur Bewegung einer Materialfront durch die Materialzufuhrleitung und anschließend den in dem Formwerkzeug ausgebildeten Füllbereich.
Wenn das in dem Materialvorratsbehälter aufgenommene flüssige Material, wie oben erwähnt, als Matrixmaterial eines faserverstärkten Verbundmaterials Verwendung finden soll, kann in das Formwerkzeug, d. h. in den in dem Formwerkzeug ausgebildeten Füllbereich vor der Zufuhr des Materials aus dem Materialvorratsbehälter ein Fasermaterial eingebracht werden. Die Verstärkungsfasern können in Form von als Kurz- oder Endlosfasern ausgebildeten Einzelfasern, als Faserbausch oder in Form eines zwei- oder dreidimensionalen Fasergewebes in den Füllbereich des Formwerkzeugs eingebracht werden. Das Einbringen von Verstärkungsfasern in den Füllbereich des Formwerkzeugs ändert jedoch nichts an der Tatsache, dass sich bei der Zufuhr des flüssigen Materials aus dem Materialvorratsbehälter in den Füllbereich des Formwerkzeugs eine Front des flüssigen Materials zunächst durch die Materialzufuhrleitung und anschließend durch den Füllbereich des Formwerkzeugs bewegt.
Der Materialfluss des Materials aus dem Materialvorratsbehälter durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs stellt bei der Herstellung eines Bauteils mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen wichtigen Prozessparameter dar. Die Bewegungsgeschwindigkeit einer Fließfront des Materials aus dem Materialvorratsbehälter durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs hängt unter anderem von der Temperatur, der (temperaturabhängigen) Viskosität des Materials und der Förderleistung einer Fördereinrichtung zur Förderung des Materials aus dem Materialvorratsbehälter durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs ab. Daher umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine im Bereich der Materialzufuhrleitung und/oder des Füllbereichs des Formwerkzeugs angeordnete optische Faser. In diese optischen Faser ist mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor zur Erfassung eines für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs charakteristischen Parameters integriert. Der Faser-Bragg-Gitter-Sensor wird durch einen Abschnitt der optischen Faser gebildet, in der der Brechungsindex eines Faserkerns periodisch variiert, so dass in Abhängigkeit von der Periodenlänge Licht einer bestimmten Wellenlänge durch die Bragg-Gitter-Struktur reflektiert wird. Insbesondere folgt die Lichtreflexion der Bragg-Gitter-Struktur der Bedingung λ_B = [(n₁ + n₂)/2]·2Λ, wobei λ_B die von der Bragg-Gitter-Struktur reflektierte Lichtwellenlänge, n₁ und n₂ die periodisch variierenden Brechungsindizes des Faserkerns und Λ die Periodenlänge der Brechungsindexvariation sind.
Eine Verformung der optischen Faser in Faserlängsrichtung, die durch eine mechanische Dehnung oder Stauchung der Faser, aber auch eine Temperaturänderung in der Umgebung der Faser verursacht werden kann, führt zu einer Änderung der Periodenlänge Λ des Bragg-Gitters und folglich einer Änderung der von der Bragg-Gitter-Struktur reflektierten Lichtwellenlänge λ_B. Eine Erfassung der von der Bragg-Gitter-Struktur des Faser-Bragg-Gitter-Sensors reflektierten Lichtwellenlänge λ_B ermöglicht somit eine sehr genaue Erfassung einer Verformung der optischen Faser in Faserlängsrichtung. Wenn eine mechanische Verformung der optischen Faser ausgeschlossen ist, das heißt die Verformung der Faser ausschließlich temperaturbedingt und folglich durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Faser beschreibbar ist, ermöglicht die Auswertung der von der Bragg-Gitter-Struktur des Faser-Bragg-Gitter-Sensors reflektierten Lichtwellenlängen λ_B somit unmittelbar Rückschlüsse auf Temperaturveränderungen in der Umgebung der optischen Faser.
Der Faser-Bragg-Gitter-Sensor kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils somit dazu verwendet werden, Verformungen der optischen Faser in Faserlängsrichtung zu erfassen, die durch Temperaturänderungen in der Umgebung der optischen Faser verursacht werden. Diese Temperaturänderungen werden ihrerseits durch den Fluss des Materials aus dem Materialvorratsbehälter durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs verursacht. Mit anderen Worten, der Faser-Bragg-Gitter-Sensor erfasst einen als für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs charakteristischen Parameter eine Verformung der optischen Faser in Faserlängsrichtung, die durch eine Temperaturänderung in der Umgebung der optischen Faser verursacht wird.
Der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte Faser-Bragg-Gitter-Sensor ist grundsätzlich dazu in der Lage, auch kleine Temperaturänderungen in der Umgebung der optischen Faser sehr genau zu erfassen. Eine besonders hohe Messgenauigkeit wird jedoch dann erreicht, wenn das Material in dem Materialvoratsbehälter eine andere Temperatur hat als das Formwerkzeug. Beispielsweise kann das Material in dem Materialvorratsbehälter auf eine Temperatur von ca. 80°Celsius aufgeheizt werden, während die Materialzufuhrleitung und/oder das Formwerkzeug auf eine Temperatur von ca. 120°Celsius aufgeheizt wird/werden. Es versteht sich, dass die Bewegung einer Front des Materials aus dem Materialvorratsbehälter durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs dann eine unmittelbare Temperaturänderung in der Umgebung der im Bereich der Materialzufuhrleitung und/oder des Füllbereichs des Formwerkzeugs angeordneten optischen Faser zur Folge hat. Insbesondere kann die Temperaturänderung in der Umgebung der optischen Faser bereits erfasst werden, bevor die Materialfront den Faser-Bragg-Gitter-Sensor tatsächlich passiert hat. Mittels des Faser-Bragg-Gitter-Sensors kann somit der Fortschritt der Materialfront durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs in Echtzeit erfasst werden. Der mittels eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors erfassbare Temperaturbereich liegt vorzugsweise zwischen –270°Celsius und 200°Celsius, die Messgenauigkeit beträgt vorzugsweise ΔT ≤ 0,5 K und die Reproduzierbarkeit der Messungen liegt bei ca. 0,1 K.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils ermöglicht somit eine einfache und zuverlässige Überwachung des Materialflusses aus dem Materialvorratsbehälter durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs. Je nach Bedarf, kann lediglich der Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung oder den Füllbereich des Formwerkzeugs mittels eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors überwacht werden. Vorzugsweise wird jedoch sowohl der Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung als auch der Materialfluss durch den Füllbereich des Formwerkzeugs überwacht. Ein weiterer Vorteil des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils eingesetzten Faser-Bragg-Gitter-Sensors liegt in der geringen Baugröße der den Faser-Bragg-Gitter-Sensor aufnehmenden optischen Faser. Grundsätzlich kann lediglich eine einzige optische Faser mit einem integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensor oder einer Mehrzahl von integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren eingesetzt werden, um den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs zu überwachen. Falls gewünscht oder aus Gründen der Messgenauigkeit erforderlich, können selbstverständlich auch Bündel aus optischen Fasern mit integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren eingesetzt werden, die entlang der Materialzufuhrleitung angeordnet oder das Formwerkzeug integriert werden können.
Der von dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor erfasste, für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs charakteristische Parameter kann mittels einer geeigneten Auswerteeinheit ausgewertet und, falls gewünscht, manuell überwacht werden. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit eine Lichtquelle zur Einkopplung von Licht in die optische Faser, sowie ein Spektrometer zur Erfassung der von der Bragg-Gitter-Struktur des Faser-Bragg-Gitter-Sensors reflektierten Lichtwellenlänge umfassen. Aus der von der Bragg-Gitter-Struktur des Faser-Bragg-Gitter-Sensors reflektierten Lichtwellenlänge kann die Auswerteeinheit dann die zu messende Temperaturänderung in der Umgebung der optischen Faser bestimmen. Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch eine in die Auswerteeinheit integrierte oder separat ausgebildete Steuereinheit, die beispielsweise in Form einer elektronischen Steuereinheit ausgeführt und dazu eingerichtet sein kann, den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs automatisch in Abhängigkeit der von dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor bzw. der Auswerteeinheit ausgegebenen Signale zu steuern. Beispielsweise kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die von dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor bzw. der Auswerteeinheit ausgegebenen Signale zu empfangen und eine Heizeinrichtung zur Beheizung des Materialvorratsbehälters, eine Heizeinrichtung zur Beheizung des Formwerkzeugs und/oder eine Fördereinrichtung zur Förderung des Materials aus dem Materialvorratsbehälter durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs in Abhängigkeit der von dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor bzw. ausgegebenen Signale zu steuern.
Durch eine entsprechende Ansteuerung einer Heizeinrichtung zur Beheizung des Materialvorratsbehälters und/oder einer Heizeinrichtung zur Beheizung des Formwerkzeugs kann die Viskosität des die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs durchströmenden Materials und folglich die Fließgeschwindigkeit des Materials durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs beeinflusst werden. In ähnlicher Weise kann durch eine entsprechende Ansteuerung einer Fördereinrichtung die Strömungsgeschwindigkeit des Materials durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs beeinflusst werden. Die Steuereinheit ermöglicht es somit, unmittelbar auf die von dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor gelieferten Messergebnisse zu reagieren. Beispielsweise kann die Steuereinheit die von dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor gelieferten Messwerte mit entsprechenden Sollwerten vergleichen und auf der Basis eines derartigen Messwert/Sollwert-Vergleichs Einfluss auf den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs nehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils kann sich eine optische Faser oder ein optisches Faserbündel entlang zumindest eines Abschnitts der Materialzufuhrleitung erstrecken. Beispielsweise kann die Materialzufuhrleitung von einem optischen Faserbündel umwickelt sein. In die optische Faser oder das optische Faserbündel kann eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zur Erfassung eines für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung charakteristischen Parameters integriert sein. Die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren sind vorzugsweise entlang der Materialzufuhrleitung verteilt angeordnet, so dass ein Fortschreiten der Materialfront durch die Materialzufuhrleitung mehr oder weniger kontinuierlich erfasst werden kann.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann sich eine optische Faser oder ein optisches Faserbündel entlang zumindest eines Abschnitts des Füllbereichs des Formwerkzeugs erstrecken. Insbesondere dann, wenn der Füllbereich des Formwerkzeugs oder ein Füllbereichsabschnitt flächig ausgebildet ist, bietet sich auch eine flächige Anordnung eines optischen Faserbündes im Bereich des flächigen Füllbereichs oder Füllbereichsabschnitt an, da dies eine flächendeckende Erfassung des Materialfortschritts durch den Füllbereich ermöglicht. In die optische Faser oder das optische Faserbündel kann wiederum eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zur Erfassung eines für den Materialfluss durch den Füllbereich charakteristischen Parameters integriert sein. Die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren sind vorzugsweise entlang des Füllbereichs verteilt angeordnet, so dass wiederum eine nahezu kontinuierliche und vorzugsweise flächendeckende Erfassung des Fortschritts der Materialfront durch den Füllbereich des Formwerkzeugs möglich wird.
Eine im Bereich des Füllbereichs des Formwerkzeugs angeordnete optische Faser oder ein im Bereich des Füllbereichs des Formwerkzeugs angeordnetes optisches Faserbündel kann durch eine Trennvorrichtung von dem Füllbereich getrennt sein. Die Trennvorrichtung kann beispielsweise in Form einer gasdurchlässigen, für das Material aus dem Materialvorratsbehälter jedoch undurchlässigen semipermeablen Membran oder in Form einer anderen Folie, beispielsweise einer gasundurchlässigen Folie ausgebildet sein. Wenn die optische Faser oder das optische Faserbündel durch eine Trennvorrichtung von dem Füllbereich getrennt ist, wird vermieden, dass die optische Faser oder das optische Faserbündel durch das in den Füllbereich des Formwerkzeugs einzubringende flüssige Material verschmutzt wird. Die optische Faser oder das optische Faserbündel kann dann auf besonders einfache und komfortable Weise wiederverwendet werden, das heißt bei der Herstellung mehrerer Bauteile zum Einsatz kommen.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine optische Faser oder ein optisches Faserbündel jedoch auch unmittelbar in dem Füllbereich des Formwerkzeugs angeordnet sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils wird die optische Faser oder das optische Faserbündel bei der Zufuhr von Material aus dem Materialvorratsbehälter in den Füllbereich des Formwerkzeugs unmittelbar von dem flüssigen Material umströmt. Dies ermöglicht die Realisierung einer besonders hohen Messgenauigkeit, wobei der Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich aufgrund der geringen Baugröße der optischen Faser nicht wesentlich beeinflusst oder gar beeinträchtigt wird. Wenn die optische Faser oder das optische Faserbündel wiederverwendet werden soll und es sich bei dem in den Füllbereich des Formwerkzeugs zugeführten Materials um ein aushärtbares Material handelt, ist es jedoch erforderlich, die optische Faser oder das optische Faserbündel nach der Zufuhr des Materials in den Füllbereich des Formwerkzeugs aus dem Füllbereich des Formwerkzeugs zu entnehmen, bevor das in den Füllbereich des Formwerkzeugs zugeführte flüssige Material ausgehärtet wird. Ferner muss die optische Faser oder das optische Faserbündel nach den Entnahme aus dem Füllbereich des Formwerkzeugs gereinigt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils ist in dem Formwerkzeug ein Aufnahmebereich zur Aufnahme eines Kerns eines Sandwichbauteils ausgebildet. Der Füllbereich des Formwerkzeugs kann sich entlang einer Oberfläche dieses Aufnahmebereichs erstrecken. Dadurch kann ein in das Formwerkzeug eingebrachter Kern eines Sandwichbauteils mit einer Oberflächenschicht versehen werden, die das Material aus dem Materialvorratsbehälter umfasst. Falls gewünscht, kann das Formwerkzeug so gestaltet sein, dass ein in dem Formwerkzeug aufgenommener Kern eines Sandwichbauteils im Bereich zweier einander gegenüberliegender Oberflächen mit einer Oberflächenschicht versehen werden kann, die das Material aus dem Materialvorratsbehälter umfasst. Hierzu kann das Formwerkzeug mit einem durchgängigen Füllbereich versehen sein, der sich entlang der einander gegenüberliegenden Oberflächen des zur Aufnahme des Kerns des Sandwichbauteils vorgesehenen Aufnahmebereichs des Formwerkzeugs erstreckt. Alternativ dazu kann das Formwerkzeug jedoch auch mit zwei voneinander getrennten Füllbereichen versehen sein, die sich jeweils entlang einer Oberfläche des Aufnahmebereichs erstrecken und jeweils über eine separate Materialzufuhrleitung mit dem Materialvorratsbehälter verbunden sind. Ein zur Bildung einer Oberflächenschicht auf einem in dem Formwerkzeug aufgenommenen Kern eines Sandwichbauteils geeigneter Füllbereich oder Füllbereichsabschnitt wird vorzugsweise mittels eines flächig angeordneten optischen Faserbündes, das eine flächendeckende Erfassung des Materialfortschritts durch den Füllbereich oder den Füllbereichsabschnitt ermöglicht, überwacht.
Ferner kann sich der Füllbereich des Formwerkzeugs durch den zur Aufnahme eines Kerns eines Sandwichbauteils vorgesehenen Aufnahmebereich des Formwerkzeugs erstrecken. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Formwerkzeugs können in den Kern eines Sandwichbauteils integrierte Bereiche, insbesondere Verstärkungsbereiche gefertigt werden, die das Material aus dem Materialvorratsbehälter umfassen. Es versteht sich, dass auch im Bereich eines Füllbereichs, der sich zur Herstellung eines in den Kern eines Sandwichbauteils integrierten Verstärkungsbereichs durch einen in dem Formwerkzeug ausgebildeten Aufnahmebereich erstreckt, eine optische Faser angeordnet sein kann, in die ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor oder eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zur Erfassung eines für den Materialfluss durch den Füllbereich charakteristischen Parameters integriert ist. Der Materialfluss durch den sich durch einen in dem Formwerkzeug ausgebildeten Aufnahmebereich erstreckenden Füllbereichsabschnitt kann im Wesentlichen senkrecht zu dem Materialfluss durch einen Füllbereichsabschnitt erfolgen, der zur Bildung einer Oberflächenschicht auf einem in dem Formwerkzeug aufgenommenen Kern eines Sandwichbauteils geeignet ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils umfasst das Zuführen von Material aus einem Materialvorratsbehälter in einen mit dem Material aus dem Materialvorratsbehälter zu füllenden Füllbereich eines Formwerkzeugs über eine Materialzufuhrleitung. Falls das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines zumindest abschnittsweise faserverstärkten Bauteils eingesetzt werden soll, kann vor der Materialzufuhr aus dem Materialvorratsbehälter in den Füllbereich des Formwerkzeugs ein Fasermaterial in den Füllbereich des Formwerkzeugs eingebracht werden. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren das Erfassen eines für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs charakteristischen Parameters mittels eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors, der in eine im Bereich der Materialzufuhrleitung und/oder des Füllbereichs des Formwerkzeugs angeordnete optische Faser integriert ist.
Der Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung und/oder den Füllbereich des Formwerkzeugs kann von einer Steuereinheit in Abhängigkeit der von dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor ausgegebenen Signale gesteuert werden.
Ein für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung charakteristischer Parameter kann mittels einer Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren erfasst werden, die in eine sich entlang zumindest eines Abschnitts der Materialzufuhrleitung erstreckende optische Faser integriert und insbesondere entlang der Materialzufuhrleitung verteilt angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein für den Materialfluss durch den Füllbereich des Formwerkzeugs charakteristischer Parameter mittels einer Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren erfasst werden, die in eine sich entlang zumindest eines Abschnitts des Füllbereichs erstreckende optische Faser integriert und insbesondere entlang des Füllbereichs verteilt angeordnet sind.
Eine im Bereich des Füllbereichs des Formwerkzeugs angeordnete optische Faser kann durch eine Trennvorrichtung von dem Füllbereich getrennt sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine im Bereich des Füllbereichs des Formwerkzeugs angeordnete optische Faser unmittelbar in dem Füllbereich angeordnet sein.
Eine im Bereich des Füllbereichs des Formwerkzeugs angeordnete optische Faser kann nach Beendigung der Zufuhr von Material aus dem Materialvorratsbehälter in den Füllbereich aus dem Formwerkzeug entnommen werden, bevor das in den Füllbereich zugeführte Material ausgehärtet wird. Dies gilt sowohl für optische Fasern, die durch eine Trennvorrichtung von dem Füllbereich getrennt sind als auch für optische Fasern, die unmittelbar in dem Füllbereich angeordnet sind.
Alternativ dazu ist es jedoch auch denkbar, eine unmittelbar in dem Füllbereich des Formwerkzeugs angeordnete optische Faser nach Beendigung der Zufuhr von Material aus dem Materialvorratsbehälter in den Füllbereich in dem Formwerkzeug zu belassen, während das in den Füllbereich zugeführte Material ausgehärtet wird. Dadurch kann ein Bauteil mit einer in das Bauteil integrierten optischen Faser, das heißt ein Bauteil mit einem in das Bauteil integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensor hergestellt werden.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils eingesetzt werden soll, kann ein Kern des Sandwichbauteils in einen in dem Formwerkzeug ausgebildeten Aufnahmebereich eingebracht werden. Das Material aus dem Materialvorratsbehälter kann in einen Füllbereich des Formwerkzeugs zugeführt werden, der sich entlang einer Oberfläche dieses Aufnahmebereichs erstreckt. Dadurch kann der Kern des Sandwichbauteils mit einer Oberflächenschicht versehen werden, die das Material aus dem Materialvorratsbehälter umfasst. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Material aus dem Materialvorratsbehälter auch in einen Füllbereich des Formwerkzeugs zugeführt werden, der sich durch den Aufnahmebereich, in den der Kern des Sandwichbauteils eingebracht ist, erstreckt. Dadurch kann der Kern des Sandwichbauteils mit in den Kern integrierten Bereichen versehen werden, die das Material aus dem Materialvorratsbehälter enthalten.
Ein erfindungsgemäßes Flugzeugstrukturbauteil umfasst mindestens eine optische Faser, in die mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor zur Erfassung eines für die strukturelle Integrität des Flugzeugstrukturbauteils charakteristischen Parameters integriert ist. Als für die strukturelle Integrität des Flugzeugstrukturbauteils charakteristischen Parameter erfasst der Faser-Bragg-Gitter-Sensor vorzugsweise, wie oben erläutert, eine Verformung der optischen Faser in Faserlängsrichtung, aus der Rückschlüsse auf eine mechanische oder temperaturbedingte Verformung des Bauteils, möglich sind. Ein derartiges Bauteil ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die strukturelle Integrität des Bauteils besonders wichtig ist. Das erfindungsgemäße Flugzeugstrukturbauteil eignet sich somit auch als sicherheitsrelevantes Bauteil im Flugzeugbau.
Die optische Faser ist vorzugsweise in einen aus einem faserverstärkten Verbundmaterial bestehenden Abschnitt des Flugzeugstrukturbauteils integriert. Beispielsweise kann die optische Faser in einen aus einem faserverstärkten Verbundmaterial bestehenden Abschnitt eines in Sandwichbauweise ausgeführten Flugzeugstrukturbauteils integriert sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen
1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils zeigt
2 eine in der Vorrichtung gemäß 1 eingesetzte optische Faser mit einem integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensor zeigt und
3 ein mittels einer Vorrichtung gemäß 1 hergestelltes Flugzeugstrukturbauteil zeigt.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Herstellung eines in 3 veranschaulichten Bauteils 12. In dem hier geschilderten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 12 zur Verwendung als Flugzeugstrukturbauteil vorgesehen, in Sandwichbauweise ausgeführt und umfasst einen Kern 14 aus einem Schaummaterial sowie Oberflächendeckschichten 16, 18 aus einem faserverstärkten Verbundmaterial. Ferner sind in den Kern 14 des Bauteils Verstärkungsbereich 17, 19 aus einem faserverstärkten Verbundmaterial integriert. Die Vorrichtung 10 kann jedoch auch zur Herstellung eines anders aufgebauten Bauteils zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann die Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Bauteils verwendet werden, das lediglich einphasig aufgebaut ist und beispielsweise aus einem aushärtbaren Kunststoffmaterial besteht.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen Materialvorratsbehälter 20, in dem ein flüssiges Material M aufgenommen ist. Beispielsweise kann der Materialvorratsbehälter 20 mit einem aushärtbarem Harz, wie z. B. einem Epoxidharz oder einem Epoxid-Armin-Harz gefüllt sein. Das in dem Materialvorratsbehälter 20 aufgenommene Material M befindet sich in flüssigem Zustand. Mittels einer ersten Heizvorrichtung 22 kann der Materialvorratsbehälter 20 bzw. das in dem Materialvorratsbehälter 20 aufgenommene Material M auf eine gewünschte Material aufgeheizt werden. Bei der Verarbeitung von Epoxidharz oder Epoxid-Armin-Harz kann der Materialvorratsbehälter mittels der ersten Heizvorrichtung 22 beispielsweise auf eine Temperatur von ca. 80°C aufgeheizt werden.
Ferner umfasst die Vorrichtung 10 ein Formwerkzeug 24. In dem Formwerkzeug 24 ist ein Aufnahmebereich 26 zur Aufnahme des Kerns 14 des in Sandwichbauweise ausgeführten Bauteils 12 ausgebildet. Ferner umfasst das Formwerkzeug 24 einen Füllbereich 28, in den ein in Form eines Fasergewebes ausgebildetes Verstärkungsmaterial 30 eingebracht ist. Als Verstärkungsmaterial 30 können beliebige zur Herstellung von faserverstärkten Verbundmaterialen geeignete Fasern zum Einsatz kommen. Vorzugsweise besteht das Verstärkungsmaterial 30 jedoch aus Kohlenstofffasern. Der in den Aufnahmebereich 26 des Formwerkzeugs 24 eingelegte Kern 14 besteht beispielsweise aus einem geschlossenzelligen Polymethacrylimidschaum.
Der in dem Formwerkzeug 24 ausgebildete Füllbereich 28 umfasst zwei Abschnitte 28a, 28b, die sich flächig entlang zweier einander gegenüberliegender Oberflächen 32, 34 des Aufnahmebereichs 26 erstrecken. Durch Zufuhr von Material M aus dem Materialvorratsbehälter 20 in die Füllbereichsabschnitte 28a, 28b können somit die den Sandwichbauteilkern 14 entlang zweier einander gegenüberliegender Oberflächen abdeckende Oberflächendeckschichten 16, 18 des Bauteils 12 aus einem faserverstärkten Verbundmaterial, beispielsweise einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffmaterial erzeugt werden. Ferner weist der Füllbereich 28 zwei Abschnitte 28c, 28d auf, die sich durch den Aufnahmebereich 26 und folglich durch den in dem Aufnahmebereich 26 aufgenommenen Kern 14 des Sandwichbauteils 12 erstrecken. Auch in die Abschnitte 28c, 28d des Füllbereichs 28 ist ein beispielsweise in Form von Kohlenstofffasern ausgebildetes Verstärkungsmaterial 30 eingebracht, so dass durch die Zufuhr von Material M aus dem Materialvorratsbehälter 20 in die Füllbereichsabschnitte 28c, 28d die in den Kern 14 des Sandwichbauteils 12 integrierten Verstärkungsbereiche 17, 19 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff erzeugt werden können.
Der Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 ist über eine Materialzufuhrleitung 38 mit dem Materialvorratsbehälter 20 verbunden. Ferner steht der in dem Formwerkzeug 24 ausgebildete Füllbereich 28 über eine Leitung 40 mit einer in Form einer Pumpe ausgebildeten Fördereinrichtung 42 in Verbindung. In dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 dient die Fördereinrichtung 42 dazu, einen Unterdruck in dem Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 zu erzeugen und dadurch Material M aus dem Materialvorratsbehälter 20 in den Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 zu fördern. Bei einer derartigen Konfiguration muss der Materialvorratsbehälter 20 nicht unter erhöhten Druck gesetzt werden. Alternativ dazu ist jedoch auch eine Anordnung denkbar, bei der das Material M aus dem Materialvorratsbehälter 20 durch die Erzeugung eines erhöhten Drucks in dem Materialvorratsbehälter 20 von beispielsweise bis zu 6 bar aus dem Materialvorratsbehälter 20 in die Materialzufuhrleitung 38 und schließlich in den Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 gefördert wird.
Im Bereich ihrer von dem Aufnahmebereich 26 abgewandten Oberflächen werden die Füllbereichsabschnitte 28a, 28b des Formwerkzeugs 24 durch eine semipermeable Membran 44 begrenzt, die gasdurchlässig, für das Material M aus dem Materialvorratsbehälter 20 jedoch undurchlässig ist. Die semipermeable Membran 44 ist ihrerseits mit einer gasdurchlässigen Folie 46 abgedeckt. Die mit der Fördereinrichtung 42 verbundene Leitung 40 ist an den zwischen der semipermeablen Membran 44 und der Folie 46 gebildeten Zwischenraum angeschlossen. Eine derartige Konfiguration ermöglicht es, in dem Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 den zur Förderung des Materials M aus dem Materialvorratsbehälter 20 in den Füllbereich 28 erforderlichen Unterdruck zu erzeugen und gleichzeitig zu verhindern, dass Material M aus dem Materialvorratsbehälter 20 aus dem Füllbereich 28 in die Leitung 40 gesaugt wird.
Die den Materialvorratsbehälter 20 mit dem Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 verbindende Materialzufuhrleitung 38 ist mit einem ersten optischen Faserbündel 48a umwickelt. Eine Einzelfaser 48 eines derartigen optischen Faserbündels ist in 2 detailliert veranschaulicht. In die Einzelfasern 48 des ersten optischen Faserbündels 48a ist eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 integriert, die entlang der Materialzufuhrleitung 38 verteilt angeordnet sind. Jeder der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 wird durch einen Abschnitt der optischen Faser 48 gebildet, in der der Brechungsindex n₁, n₂ eines Faserkerns periodisch variiert, so dass in Abhängigkeit von der Periodenlänge Λ Licht einer bestimmten Wellenlänge λ_B durch die Bragg-Gitter-Struktur reflektiert wird.
Ein zweites optisches Faserbündel 48b ist im Bereich des Füllbereichsabschnitts 28a angeordnet, wobei sich das zweite optische Faserbündel 48b zweidimensional, d. h. flächig entlang des Füllbereichabschnitts 28a erstreckt. Auch in das zweite optische Faserbündel 48b ist eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 integriert, die entlang des Füllbereichsabschnitts 28a flächig verteilt angeordnet sind. In ähnlicher Weise ist ein drittes optisches Faserbündel 48c flächig im Bereich des Füllbereichsabschnitts 28b positioniert. Ebenso wie das zweite optische Faserbündel 48b umfasst auch das dritte optische Faserbündel 48c eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50, die entlang des Füllbereichsabschnitts 28b flächig verteilt angeordnet sind. Anders als das dritte optische Faserbündel 48c, das unmittelbar in dem Füllbereichsabschnitt 28b angeordnet ist, ist das zweite optische Faserbündel 48b jedoch durch die semipermeable Membran 44 von dem Füllbereichsabschnitt 28a getrennt. Die semipermeable Membran 44 bildet somit eine Trennvorrichtung, die das zweite optische Faserbündel 48b von dem Füllbereichsabschnitt 28a und folglich auch von dem in den Füllbereichsabschnitt 28a zuzuführenden Material M aus dem Materialvorratsbehälter 20 trennt. Schließlich erstrecken sich vierte und fünfte optische Faserbündel 48d, 48e durch die Füllbereichsabschnitte 28c, 28d. Auch in die vierten und fünften optischen Faserbündel 48d, 48e sind Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 integriert, die entlang der Füllbereichsabschnitte 28c, 28d verteilt angeordnet sind.
Schließlich umfasst die Vorrichtung 10 eine zweite Heizvorrichtung 52, die dazu dient, das Formwerkzeug 24 im Betrieb der Vorrichtung 10 auf eine gewünschte Temperatur aufzuheizen. Bei der Herstellung des in 3 veranschaulichten Sandwichbauteils 12 mit einem Kern 14 aus einem Polymethacrylimidschaum und Oberflächendeckschichten 16, 18 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff bietet es sich an, das Formwerkzeug 24 bei der Zufuhr von Material M aus dem Materialvorratsbehälter 20 in das Formwerkzeug 24 auf eine Temperatur von ca. 120°C aufzuheizen. Wenn der Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 vollständig mit Material M aus dem Materialvorratsbehälter 20 gefüllt ist, kann die zweite Heizvorrichtung 52 natürlich auch dazu genutzt werden, das Formwerkzeug 24 auf eine Temperatur aufzuheizen, die eine Aushärtung des in den Füllbereich 28 des Formbereichs 24 eingebrachten Materials M ermöglicht. Beispielsweise ist eine Aushärttemperatur von 180°C möglich. Die zweite Heizvorrichtung 52 kann in Form eines das Formwerkzeug 24 umgebenden Ofens ausgebildet sein.
Im Betrieb der Vorrichtung 10 wird mittels der Fördereinrichtung 42 in dem Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 ein Unterdruck erzeugt. Dadurch wird Material M aus dem Materialvorratsbehälter 20 in den Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 gesaugt und die in dem Füllbereich 28 angeordneten Verstärkungsfasern 30 mit dem Material aus dem Materialvorratsbehälter 20 getränkt. Der Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung 28 und die einzelnen Abschnitte 28a, 28b, 28c, 28d des Füllbereichs 28, d. h. die Bewegung einer Fließfront F des Material M durch die Materialzufuhrleitung 38 und die Abschnitte 28a, 28b, 28c, 28d des Füllbereichs 28 wird dabei mittels der in die optischen Faserbündel 48a, 48b, 48c, 48d, 48e integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 überwacht (siehe 2). Insbesondere ermöglichen die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 eine quasi kontinuierliche Überwachung des Fortschritts der Fließfront F des Materials M aus dem Materialvorratsbehälter 20 durch die Materialzufuhrleitung 38 und die einzelnen Abschnitte 28a, 28b, 28c, 28d des in dem Formwerkzeug 24 ausgebildeten Füllbereichs 28.
Insbesondere ermittelt eine Auswerteeinheit 54, die eine in den Figuren nicht näher veranschaulichte Lichtquelle zur Einkopplung von Licht in die optischen Faserbündel 48a, 48b, 48c, 48d, 48e sowie ein ebenfalls nicht gezeigtes Spektrometer zur Erfassung der von der Bragg-Gitter-Struktur der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 reflektierten Lichtwellenlänge λ_B umfasst, aus den von den Bragg-Gitter-Strukturen der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 reflektierten Lichtwellenlängen λ_B die Temperaturänderung in der Umgebung der jeweiligen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50. Die Bewegung der Fließfront F des eine Temperatur von ca. 80°C aufweisenden Materials M aus dem Materialvorratsbehälter 20 durch die Materialzufuhrleitung 38 und den Füllbereich 28 des auf eine Temperatur von ca. 120°C aufgeheizten Formwerkzeugs 24 kann somit anhand der entlang der Materalzufuhrleitung 38 und der Füllbereichsabschnitte 28a, 28b, 28c, 28d flächig verteilten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 somit quasi kontinuierlich und nahezu flächendeckend in Echtzeit erfasst und nachvollzogen werden. Aufgrund des geringen Bauvolumens der optischen Faserbündel 48a, 48b, 48c, 48d, 48e wird der Materialfluss durch den die Materialzufuhrleitung 38 oder den Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 selbst dann nicht wesentlich beeinträchtigt, wenn die optischen Faserbündel 48a, 48b, 48c, 48d, 48e unmittelbar in die Materialzufuhrleitung 38 oder den Füllbereich 28 des Formwerkzeugs integriert sind.
Die von den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 bzw. der Auswerteeinheit 54 ausgegebenen Signale werden einer Steuereinheit 56 zugeführt. Die Steuereinheit 56 ist in Form einer elektrischen Steuereinheit ausgeführt. In Abhängigkeit der ihr von den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 bzw. der Auswerteeinheit 54 zugeführten Signale steuert die Steuereinheit 56 den Betrieb der ersten Heizvorrichtung 22 zur Beheizung des Materialvorratsbehälters 20, den Betrieb der zweiten Heizvorrichtung 52 zur Beheizung des Formwerkzeugs 24 sowie die Fördereinrichtung 42 zur Förderung des Materials M aus dem Materialvorratsbehälter 20 in den Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24. Mit anderen Worten, die Steuereinheit 56 ist dazu in der Lage, die Bewegung der Fließfront F des Materials M aus dem Materialvorratsbehälter 20 durch die Materialzufuhrleitung 38 und den Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 in Abhängigkeit der von den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 bzw. der Auswerteeinheit 54 ausgegebenen Signale zu beeinflussen. Hierzu kann die Steuereinheit 56 beispielsweise die Bewegungsgeschwindigkeit der Fließfront F des Materials M aus dem Materialvorratsbehälter 20 durch die Materialzufuhrleitung 38 und den Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 mit entsprechenden in einem Speicher der Steuereinheit 56 hinterlegten Sollwerten vergleichen.
Nach Beendigung der Materialzufuhr aus dem Materialzufuhrbehälter 20 in den Füllbereich 28 des Formwerkzeugs 24 verbleibt das unmittelbar in dem Füllbereichsabschnitt 28b angeordnete dritte optische Faserbündel 48c auch während des nachfolgenden Aushärtungsschritts in dem Formwerkzeug 24. Dies gilt auch für das vierte und das fünfte optische Faserbündel 48d, 48e. Das in 3 veranschaulichte Sandwichbauteil 12 umfasst somit eine Oberflächendeckschicht 18 sowie Verstärkungsbereiche 17, 19, in die jeweils ein optisches Faserbündel 48b, 48d, 48e mit entsprechenden Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 integriert ist. Das zur Überwachung des Füllbereichabschnitts 28a eingesetzte zweite optische Faserbündel 48b wird dagegen vor der Aushärtung des in den Füllbereichabschnitt 28a eingebrachten Materials aus dem Formwerkzeug 24 entnommen und kann bei der Herstellung eines weiteren Bauteils verwendet werden. Durch die Anordnung des zweiten optischen Faserbündels 48b zwischen der semipermeablem Membran 44 und der Folie 46, d. h. außerhalb des Füllbereichsabschnitts 28a wird eine Verschmutzung eines zweiten optischen Faserbündels 48a durch das in den Füllbereichsabschnitt 28a eingebrachte Material M verhindert.
Die in das Sandwichbauteil 12 integrierten optischen Faserbündel 48c, 48d, 48e mit den entsprechenden Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 können zur Überwachung der strukturellen Integrität des Sandwichbauteils 12 verwendet werden. Insbesondere ermöglicht die Erfassung einer Variation einer von der Bragg-Gitter-Struktur der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 50 reflektierten Lichtwellenlänge λ_B Rückschlüsse auf eine durch eine mechanische Beanspruchung des Bauteils 12 hervorgerufene Verformung der optischen Faserbündel 48b, 48d, 48e in Längsrichtung der Faserbündel 48b, 48d, 48e.

Claims

Vorrichtung (10) zur Herstellung eines Bauteils (12), mit: – einem Materialvorratsbehälter (20) zur Aufnahme eines flüssigen Materials (M), – einem Formwerkzeug (24), in dem ein mit Material (M) aus dem Materialvorratsbehälter (20) zu füllender Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) ausgebildet ist, – einer Materialzufuhrleitung (38), die den Materialvorratsbehälter (20) mit dem Füllbereich (28) des Formwerkzeugs (24) verbindet, und – mindestens einer entlang der Materialzufuhrleitung (38) und/oder des Füllbereichs (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) angeordneten optischen Faser (48a, 48b, 48c, 48d, 48e), in die mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (50) zur Erfassung eines für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung (38) und/oder den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) charakteristischen Parameters integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (56), die dazu eingerichtet ist, den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung (38) und/oder den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) in Abhängigkeit der von dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (50) ausgegebenen Signale zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine optische Faser (48a) entlang zumindest eines Abschnitts der Materialzufuhrleitung (38) erstreckt, wobei in die optische Faser (48a) insbesondere eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (50) zur Erfassung eines für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung (38) charakteristischen Parameters integriert ist, die entlang des Abschnitts der Materialzufuhrleitung (38) verteilt angeordnet sind, und/oder dass sich eine optische Faser (48b, 48c, 48d, 48e) entlang zumindest eines Abschnitts des Füllbereichs (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) erstreckt, wobei in die optische Faser (48b, 48c, 48d, 48e) insbesondere eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (50) zur Erfassung eines für den Materialfluss durch den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) charakteristischen Parameters integriert ist, die entlang des Abschnitts des Füllbereichs (28a, 28b, 28c, 28d) verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Bereich des Füllbereichs (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) angeordnete optische Faser (48b) durch eine Trennvorrichtung von dem Füllbereich (28a) getrennt ist und/oder unmittelbar in dem Füllbereich (28b, 28c, 28d) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formwerkzeug (24) ein Aufnahmebereich (26) zur Aufnahme eines Kerns (14) des in Sandwichbauweise ausgeführten Bauteils (12) ausgebildet ist, wobei sich der Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) entlang einer Oberfläche (32, 34) des Aufnahmebereichs (26) und/oder durch den Aufnahmebereich (26) erstreckt.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, mit den Schritten: – Zuführen von Material (M) aus einem Materialvorratsbehälter (20) in einen mit dem Material (M) aus dem Materialvorratsbehälter (20) zu füllenden Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) eines Formwerkzeugs (24) über eine Materialzufuhrleitung (38), – Erfassen eines für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung (38) und/oder den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) charakteristischen Parameters mittels eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors (50), der in eine entlang der Materialzufuhrleitung (38) und/oder des Füllbereichs (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) angeordneten optischen Faser (48a, 48b, 48c, 48d, 48e) integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung (38) und/oder den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) von einer Steuereinheit (56) in Abhängigkeit der von dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (50) ausgegebenen Signale gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein für den Materialfluss durch die Materialzufuhrleitung (38) charakteristischer Parameter mittels einer Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (50) erfasst wird, die in eine sich entlang zumindest eines Abschnitts der Materialzufuhrleitung (38) erstreckende optische Faser (48a) integriert und insbesondere entlang des Abschnitts der Materialzufuhrleitung (38) verteilt angeordnet sind, und/oder dass ein für den Materialfluss durch den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) charakteristischer Parameter mittels einer Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (50) erfasst wird, die in eine sich entlang zumindest eines Abschnitts des Füllbereichs (28a, 28b, 28c, 28d) erstreckende optische Faser (48b, 48c, 48d, 48e) integriert und insbesondere entlang des Abschnitts des Füllbereichs (28a, 28b, 28c, 28d) verteilt angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Bereich des Füllbereichs (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) angeordnete optische Faser (48b) durch eine Trennvorrichtung von dem Füllbereich (28a) getrennt ist und/oder unmittelbar in dem Füllbereich (28b, 28c, 28d) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Bereich des Füllbereichs (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) angeordnete optische Faser (48b) nach Beendigung der Zufuhr von Material (M) aus dem Materialvorratsbehälter (20) in den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) aus dem Formwerkzeug (24) entnommen wird, bevor das in den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) zugeführte Material ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine unmittelbar in dem Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) angeordnete optische Faser (48c, 48d, 48e) nach Beendigung der Zufuhr von Material (M) aus dem Materialvorratsbehälter (20) in den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) in dem Formwerkzeug (24) verbleibt, während das in den Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) zugeführte Material (M) ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einen in dem Formwerkzeug (24) ausgebildeten Aufnahmebereich (26) ein Kern (14) des in Sandwichbauweise ausgeführten Bauteils (12) eingebracht und Material (M) aus dem Materialvorratsbehälter (20) in einen Füllbereich (28a, 28b, 28c, 28d) des Formwerkzeugs (24) zugeführt wird, der sich entlang einer Oberfläche (32, 34) des Aufnahmebereichs (26) und/oder durch den Aufnahmebereich (26) erstreckt.
Flugzeugstrukturbauteil (12), das mittels eines in den Ansprüchen 6 bis 12 beschriebenen Verfahrens hergestellt ist, und das mindestens eine optische Faser (48b, 48d, 48e) umfasst, in die mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (50) zur Erfassung eines für die strukturelle Integrität des Flugzeugstrukturbauteils (12) charakteristischen Parameters integriert ist.
Flugzeugstrukturbauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Faser (48b, 48d, 48e) in einen aus einem faserverstärkten Verbundmaterial bestehenden Abschnitt (16, 17, 18, 19) des Flugzeugstrukturbauteils (12) integriert ist.