DE102010050535B4 - Verfahren zur Detektion und Vermessung von Faserwellen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Detektion und Vermessung von Harzanreicherungen in Faserverbundkunststoffen dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrowellensende- und Empfangseinrichtung mit Sende- und Empfangsantenne genutzt wird, die einzeln oder zusammen über die Bauteilwand hinweggeführt werden, und wobei die Phase des reflektierten Mikrowellensignals gemessen und ausgewertet wird.

Description

• Diese Erfindung bezieht sich vornehmlich auf das technische Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung.
• Bei der Herstellung von Komponenten aus faserverstärktem Kunststoff wird häufig ein Vakuuminfusionsverfahren verwendet. Auf eine Negativform wird dabei zunächst das Fasermaterial, umschlossen mit einem luftdichten Sack, eingelegt. Der Sack wird evakuiert, und temperiertes, flüssiges Harz wird durch das Vakuum in das Fasermaterial eingesaugt. Nach Abkühlen und Aushärten befindet sich das Fasermaterial starr im Laminat. Die Unterseite des Laminats ist so glatt wie die Negativform, die Oberseite ist in der Regel weniger glatt. Es zeigt sich, dass sich bei diesem Verfahren gelegentlich an der Unterseite des Bauteils Harzanreicherungen, d.h. Faserwellen (Ondulationen, Schlingerungen) in Richtung senkrecht zur Oberfläche ausbilden. Spätestens nach einer Beschichtung des Bauteils mit Gelcoat und/oder Lack, sind diese Faserwellen nicht mehr erkennbar. Sie beeinträchtigen die Festigkeit des Bauteils jedoch erheblich. Insbesondere, wenn bei in Betrieb befindlichen Bauteilen, wie z.B. Rotorblättern von Windkraftanlagen der Verdacht aufsolche Faserwellen besteht, ist eine Prüfung nötig. Wenn der faserverstärkte Kunststoff unbeschichtet vorliegt, kann die Prüfung gemäß EP 2 218 912 A2 mit Licht vorgenommen werden. Häufig sind die Komponenten aus faserverstärktem Kunststoff jedoch mit undurchsichtigem Gelcoat und/oder Lack beschichtet. Die Beschichtung musste dann zunächst entfernt werde. Dieses Verfahren wäre zerstörend. Darüber hinaus kann es Faserwellen nur erkennen und nicht quantifizieren.
• Die Problemstellung ist, auch bei faserverstärktem Kunststoff, der mit Gelcoat und/oder Lack beschichtet ist, solche Faserwellen zurstörungsfrei zu erkennen und zu quatifizieren. Das bedeutet, dass insbesondere das Profil der Faserwelle messtechnisch zu bestimmen ist, aus dem der wichtige Parameter »Steigung der Faserwelle" abgeleitet werden kann.
• Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Dabei wird folgender physikalischer Effekt ausgenutzt: Die elektrischen Eigenschaften des zumeist in der Nähe der glatten Oberfläche liegenden Harzes sind anders als die des Materials in der Tiefe. Bei glasfaser- und naturfaserverstärkten Kunststoffen ist es der Unterschied in der weitgehend reellen Dielektrizitätszahl. Bei kohlenstofffaserverstärktem Kunststoffen ist es der Unterschied in der Leitfähigkeit bzw. in den komplexen Dielektrizitätszahlen. Gemäß Patentanspruch 1 wird eine Mikrowelle auf die zu untersuchende Stelle des Bauteils gerichtet und das reflektierte Signal empfangen. Seine Phase wird ausgewertet und ergibt die lokale Dicke der Harzanreicherung. Ein Abtasten der gesamten Bauteiloberfläche mit diesem Verfahren ergibt die Harzanreicherung über dem Ort. Insbesondere kann die Tiefe der Harzanreicherung und damit die Amplitude der Faserwelle quer zur Ausdehnung der Faserwelle gemessen werden, wenn sie zuvor mit diesem Verfahren detektiert wurde. Aus diesem Profil ergibt sich unmittelbar die lokale Steigung der Faserwelle.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit diesem Verfahren Harzanreicherungen auch durch nicht transparente Oberflächenschichten hindurch zerstörungsfrei detektiert werden können, und dass sie darüber hinaus vermessen werden können.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 gegeben. Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ermöglicht es, dieses Verfahren zu verwenden, wenn die Harzanreicherung Faserwellen verursacht. Die Ausgestaltungen nach Ansprüchen 3, 4 und 5 ermöglichen es, in unterschiedlichen Typen von Faserverbundkunststoffen Harzanreicherungen und Faserwellen zu erkennen. Dabei sind in der Auswertung die entsprechenden Dielektrizitätszahlen der eingesetzten Materialien zu verwenden. Die Ausgestaltung nach Anspruch 6 ermöglicht es, mit nur einer Antenne auszukommen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
• Es zeigen
• 1: Im Querschnitt durch ein Bauteil mit Faserwelle in unidirektionalem glasfaserverstärktem Kunststoff 1 (GFK) ist aufgrund der Harzanreicherung 2 eine Faserwelle vorhanden. Die Oberfläche ist bedeckt mit einer dünnen Schicht biaxialen GFKs 3. Darüber befindet sich Luft 4. Eine Mikrowellensende- und Empfangsantenne 5 strahlt ein Signal 6 ein und nimmt das reflektierte Signal 7 wieder auf.
• 2 zeigt ein einfaches Leitungsersatzschaltbild dieser Anordnung. Es enthält die Wellenwiderstände 8, 9, 10 und 11 von Luft, biaxalem GFK, Harz bzw. unidirektionalem GFK. Wesentliche Schichtdicken sind die des biaxialen GFK 12 und die gesuchte Harzdicke d. Der Eingangsreflexionsfaktor r dieser Anordnung lässt sich bei bekannten Dielektrizitätszahlen der Materialien in Abhängigkeit von d leicht berechnen.
• 3 zeigt diese berechnete Ortskurve 13 des Reflexionsfaktors r bei veränderlicher Harzschichtdicke d in der komplexen Ebene. Die Winkellage des Fahrstrahls vom Mittelpunkt des Kreises bis zu seiner Peripherie gibt die Harzdicke d wieder.
• 4 zeigt eine solche gemessene Ortskurve, wie sie sich entlang eines Linienscans quer zur Längsrichtung einer wulstförmigen Harzanreicherung ergibt.
• 5 entsteht aus dem Vergleich der gemessenen Kurve in 4 und Rechenwerten wie in 3. 5 gibt damit das Profil der Harzdicke wieder.
• Bezugszeichenliste

1

glasfaserverstärkter Kunststoff, unidirektional

2

Harzanreicherung

3

glasfaserverstärkter Kunststoff, biaxial

4

Luft

5

Sende- und Empfangsantenne

6, 7

Sende- und reflektiertes Empfangssignal

8,9,10,11

Wellenwiderstände von Luft, biaxialem GFK, Harz bzw. unidirektionalem GFK

12

Dicke der biaxialen Schicht

13

Ortskurve des Reflexionsfaktor r bei veränderlicher Harzschichtdicke d

Claims (6)

1. Verfahren zur Detektion und Vermessung von Harzanreicherungen in Faserverbundkunststoffen dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrowellensende- und Empfangseinrichtung mit Sende- und Empfangsantenne genutzt wird, die einzeln oder zusammen über die Bauteilwand hinweggeführt werden, und wobei die Phase des reflektierten Mikrowellensignals gemessen und ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Harzanreicherung Faserwellen verursacht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Faserverbundkunststoff ein glasfaserverstärkter Kunststoff ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Faserverbundkunststoff ein naturfaserverstärkter Kunststoff ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Faserverbundkunststoff ein kohlefaserverstärkter Kunststoff ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei der die Mikrowellensende- und Empfangsantenne durch nur eine Antenne verkörpert werden.

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