DE102012007966B3

DE102012007966B3 - Verfahren zur Prozesskontrolle und -führung bei der Vernetzung von Kompositmaterialien

Info

Publication number: DE102012007966B3
Application number: DE201210007966
Authority: DE
Inventors: Werner Bohmeyer; Matthias Grimm; Karsten Lange
Original assignee: Werner Bohmeyer
Current assignee: GRASSE ZUR INGENIEURGESELLSCHAFT MBH, DE
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2032-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines zuverlässigen Steuerparameters für die ständige Bewertung der Vernetzungsreaktion in der industriellen Anwendung, indem durch eine Fitfunktion der Verlauf der Schallgeschwindigkeit vorhergesagt wird und der vorhergesagte Endwert für die Normierung der aktuellen Messwerte verwendet wird. Diese normierten Werte weisen eine von Faser- zu Harzanteil unabhängige hohe Reproduzierbarkeit auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozesskontrolle und -führung für vernetzende Systeme mittels Messung der Ultraschallgeschwindigkeit. Ein solches Verfahren dient der Gewinnung einer von Herstellungszyklus zu Herstellungszyklus stabilen Steuergröße für die Prozesskontrolle und -führung bei der Vernetzung reaktiver Kunststoffe, insbesondere mit Faserverstärkungen.
Dem Stand der Technik nach sind mehrere Methoden zur Erfassung der Vernetzung von reaktiven Kunststoffen und von Gummi bekannt. Ein Verfahren basiert dabei auf der Messung der Laufzeit oder der Schallgeschwindigkeit im zu untersuchenden Material mittels Ultraschall. Solche Anwendungen sind in DE 198 34 797 A1 und DE 197 37 276 A1 sowie in US 2011/0 183 422 A1 beschrieben und betreffen einen weiten Anwendungsbereich vom Spritzgießen über die Verarbeitung von Prepregs bis zu RTM-Prozessen. Auf weitere Messmethoden – optische (IR-Messungen) und elektrische Verfahren (dielektrische Messungen) – soll hier nicht eingegangen werden.
Es ist bekannt, dass das Ansteigen der gemessenen Schallgeschwindigkeit bzw. das Absinken der Laufzeit eines Ultraschallimpulses eine Information über die Vernetzung während des Verarbeitungsprozesses liefert. Es ist weiter bekannt, dass es bei Kompositmaterialien (reaktive Harze in Verbindung mit Glas- oder Kohlefasern) während der Vernetzung immer wieder zu sehr ähnlichen, aber nicht identischen Verläufen der gemessenen Schallgeschwindigkeit als Funktion der Prozesszeit kommt (siehe 1). Diese werden nachfolgend als Streuung gezeichnet. Es kann aber nur auf der Basis nahezu identischer Kurven eine Prozessbeschreibung und -vorhersage und daraus abgeleitet eine Prozesssteuerung durchgeführt werden. Diese Streuungen stellen ein großes Problem bei der Prozesssteuerung dar, denn sie ermöglichen keinen direkten Zusammenhang zwischen der notwendigen Prozesszeit zur Erreichung einer vorgegebenen Vernetzung. Die Streuungen werden durch unterschiedliche Weganteile der Schallwelle durch Harz und Faser, also Materialien mit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit, bewirkt und sind auch bei sorgfältiger Materialvorbereitung nicht vermeidbar. Gleichermaßen wirken sich unterschiedliche Anteile von Harz und Faser aus. Zusätzlich können makroskopische Dickenschwankungen hinzukommen.
Somit ist ein einfaches Übertragen der für homogene Materialien üblichen Auswertung durch Verwendung der aktuellen Schallgeschwindigkeit oder der Laufzeit als Steuergröße nicht möglich, da dies zu großen Streuungen führt, die eine exakte Prozessführung erschweren oder unmöglich machen.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, für jede Messung der Vernetzung ein Verfahren zu entwickeln, welches schon während der ablaufenden Vernetzungsreaktion eine stabile Steuergröße für die Prozesskontrolle und – steuerung liefert und die real vorhandenen Schwankungen keinen Einfluss mehr haben.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Eigene Messungen haben überraschenderweise gezeigt, dass die Streuungen der Schallgeschwindigkeit als Funktion der Prozesszeit vermieden werden können, wenn jede Messkurve mit dem Endwert der Schallgeschwindigkeit – dem Wert der zur höchsten Vernetzung (Prozessende) gehört – normiert wird (siehe 2). Durch diese Normierung fällt der Einfluss der sich ändernden Weganteile mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten auf das Endergebnis weg. Die Messgrößen s (Weg) und t (Laufzeit) sowie die daraus bestimmte Größe v = s/t (Geschwindigkeit) sind alle Funktionen der Prozesszeit (T). Am Ende des Prozesses ist die Zeit T_end erreicht. Eine Normierung der Geschwindigkeit v(T)/v(T_end) bedeutet, dass die neue Größe [s(T)/s(T_end)]·[t(T_end)/t(T)] verwendet wird, wobei s der Weg ist, den die Schallwelle zurücklegt und t die entsprechende Laufzeit. Man erkennt, dass die Größe s(T)/s(T_end) durch die Weganteile in Harz und Faser bestimmt wird und für jeden Herstellungszyklus eine Konstante ist, sich aber von Zyklus zu Zyklus ändern kann und diese Änderung durch eine entsprechende Änderung der jeweiligen Laufzeiten kompensiert wird. Eine derartige Normierung ist also bei Kompositmaterialien ein Weg, eine Steuergröße ohne Schwankungen zu erzeugen. Diese Normierung ist aber erst nach Prozessende möglich und die normierten und sehr stabilen Daten können dann nicht mehr für die Prozessführung verwendet werden. Das oben Gesagte gilt gleichermaßen, wenn die Laufzeit der Schallwelle als Steuergröße verwendet werden soll, weil auch in diesem Fall die Änderung des Anteiles von Harz zu Faser zu einer Laufzeitveränderung führt.
Deshalb wird erfindungsgemäß schon während der ablaufenden Vernetzungsreaktion anhand der bereits vorliegenden Messdaten über die sich ändernde Schallgeschwindigkeit eine mathematische Beschreibung gefunden, die eine Vorhersage des weiteren Verlaufs ermöglicht. Diese Funktion geht im einfachsten Fall von einer konstanten Geschwindigkeit v₁ aus, zu der ein sich exponentiell entwickelnder Summand v₂ hinzukommt.
Der Summand v₂ (T) hat im einfachsten Fall die Form v₂(T) = v₃·(1 – exp(– (T + a)/τ)).
Also gilt: v(T) = v₁ + v₂(T) = v₁ + v₃(1 – exp(– (T + a)/τ)), wobei ein Koeffizient a eingefügt wurde, der den Beginn der Reaktion in Bezug auf die Startzeit des Prozesses ausdrückt, also berücksichtigt, wann die eigentliche Vernetzung in Bezug zu T = 0 beginnt. Die Fitprozedur kann z. B. mit einer Mathcadroutine oder mit LabView erfolgen. Erforderlich sind Startwerte für v₃, v₁, a, τ.
Eine automatisierte Fitroutine setzt ab dem Wendepunkt der Kurve Schallgeschwindigkeit als Funktion der Prozesszeit (v = f(T)) ein und nutzt ständig die zur Verfügung stehenden Daten für den Fit. Der Fit wird mit wachsender Zahl von Messwerten immer stabiler. Es zeigt sich jedoch, dass schon nach kurzer Zeit ein sehr stabiler Fit vorliegt, aus dem die zu erwartende Endgeschwindigkeit (v₁ + v₃) bestimmt wird. Diese wird für die Normierung der aktuellen Schallgeschwindigkeit verwendet. Der Verlauf der normierten Schallgeschwindigkeit weist von Zyklus zu Zyklus nur noch unwesentliche Schwankungen auf und kann als Steuergröße verwendet werden. Darüber hinaus kann eine Beziehung zwischen dieser bei 1 endenden Größe und dem Vernetzungsgrad hergestellt werden, wenn bei vorgegebener Temperatur z. B. eine Kalibrierung mittels Differentieller Scanning Calorimetry (DSC) erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden in einem Ausführungsbeispiel anhand der 3A bis 3F beschrieben.
Dabei zeigen die 3A bis 3F das Ergebnis der Fitprozedur in Kurven, die die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in dem Kompositmaterial während der Vernetzung von der Prozesszeit bei unterschiedlichen Fitdauern darstellen.
In einem beheizten Werkzeug, das zwei sich gegenüberstehende Ultraschallsensoren enthält, werden mehrere Lagen Prepreg eingelegt. Das Werkzeug wird geschlossen (T = 0). Der Abstand zwischen den Ultraschallsensoren wird automatisiert erfasst und bei der Auswertung berücksichtigt. Eine Erweichung des Materials mit anschließender Vernetzung beginnt. Es erfolgt ständig eine automatisierte Messung der Laufzeit, aus der die aktuelle Schallgeschwindigkeit bestimmt wird. In 3A ist ein typischer Verlauf v(T) dargestellt – also der Schallgeschwindigkeit v in m/s als Funktion der Prozesszeit T in min –, wie er während eines Herstellungsprozesses aufgenommen wurde. Hilfreich ist die automatisierte Bildung der Ableitung dv(t)/dt als Funktion der Prozesszeit T zur Bestimmung von Minima und Wendepunkten. Die Prozesszeit läuft bis zu T_end = 280 min. Man erkennt nach etwa 140 min ein durch die Erweichung bewirktes Minimum der Schallgeschwindigkeit, die Ableitung dv(T)/dT wird zu Null. Danach überwiegt die Vernetzungsreaktion, die Schallgeschwindigkeit steigt zunächst sehr stark an. Ab dem Minimum in der Schallgeschwindigkeit wird automatisiert rechentechnisch geprüft, wenn ein Wendepunkt im Verlauf der Schallgeschwindigkeit auftritt. Bei etwa 160 min wird dieser Wendepunkt erkannt (Ableitung hat ein Maximum). Ab hier erfolgt die Anwendung der oben beschriebenen Fitroutine. Die für eine Fitprozedur notwendigen Anfangswerte haben einen großen Toleranzbereich, so hat sich in diesem Fall für v₁ ein Wert von 1500 m/s und v₃ = 500 m/s bewährt. Als Startwert für die Zeitkonstante wurden 30 min verwendet. Ein Zeitversatz zur Anfangszeit von 130 min wurde ebenfalls eingeführt. Mit dem Beginn der Fitroutine wird der aus dem Fit vorhergesagte Verlauf der Schallgeschwindigkeit zusätzlich dargestellt. Der eigentliche Vernetzungsprozess dauert weitere 120 min. In den nachfolgenden Bildern 3B bis 3F (für die jeweilige Fitdauer 10 min, 15 min, 20 min, 30 min und 40 min) ist in den Kurven für die Schallgeschwindigkeit als Funktion der Prozesszeit jeweils der Zeitabschnitt markiert, der für den Fit verwendet wird (Kreise), und zusätzlich ist die aus dem Fit vorhergesagte Kurve (kräftige Punkte) dargestellt. Man erkennt, dass nach einer Fitdauer von 20 min die Messkurve – s. 3D – und die vorhergesagte Kurve nahezu zusammenfallen. Damit gewinnt man lange vor dem Prozessende den Endwert (v₁ + v₃) der Schallgeschwindigkeit und kann die aufgenommenen Daten schon während der Messung normieren. Damit steht die normierte Schallgeschwindigkeit schon während des Vernetzungsprozesses der Kompositmaterialien als eine stabile Steuergröße zur Verfügung steht.
Die in den 3A bis 3F dargestellten Sequenzen zeigen, dass die Vorhersage sehr stabil ist und damit der Endwert sehr gut für die Normierung verwendet werden kann. Diese normierten Messwerte stellen eine zuverlässige Steuergröße für den Prozessverlauf dar und gestatten in diesem Fall einen Abbruch der Reaktion nach 280 min. Ein weiterer positiver Effekt ist die dadurch ermöglichte, vorausschauende Planung der Belegung teurer Apparaturen wie Pressen und Autoklaven.

Claims

Verfahren zur Prozesskontrolle und -führung bei der Vernetzung reaktiver Materialien oder Gummi mit Einlagen mittels Messung der Ultraschallgeschwindigkeit im Material, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte in nachfolgendem Ablauf: – Bestimmung des Wendepunktes in der Darstellung der Schallgeschwindigkeit als Funktion der Prozesszeit nach dem Einsetzen der Vernetzung, – Ermittlung einer Fitfunktion ab dem Wendepunkt für die Vorhersage des Verlaufs der Schallgeschwindigkeit, – Bestimmung eines Endwertes der Schallgeschwindigkeit, der dem Schallgeschwindigkeitswert der höchsten Vernetzung am Prozessende entspricht, mittels der Fitfunktion, – Normierung der während des Vernetzungsprozesses gemessenen Schallgeschwindigkeit unter Verwendung des Endwertes der Schallgeschwindigkeit, – Verwendung der ermittelten normierten Schallgeschwindigkeit als eine Steuergröße im Vernetzungsprozess.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Fit die Schallgeschwindigkeit aus mindestens zwei Summanden gebildet wird und mindestens ein Summand einen exponentiellen Anstieg aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schallgeschwindigkeit v nach folgender Gleichung ermittelt wird: v(T) = v₁ + v₃(1 – exp(–(T + a)/τ)) wobei v₁den konstanten Anteil der Schallgeschwindigkeit und der zweite Summand den Anteil der Schallgeschwindigkeit mit einem exponentiellen Anstieg beschreibt, T die Prozesszeit ist und a ein Koeffizient, der den Beginn der Vernetzung bezüglich T = 0 charakterisiert und τ eine für den Vernetzungsprozess typische Zeitkonstante ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine feste Prozesstemperatur die normierte Schallgeschwindigkeit in Korrelation zum Aushärtegrad gebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Schallgeschwindigkeit die Laufzeit des Ultraschallsignales für die Fitprozedur und die normierte Laufzeit als Steuergröße verwendet wird.