-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsbestimmung von Werkstücken aus mindestens einem mit Fasern verstärktem Polymer.
-
Polymere zeichnen sich durch eine gute Verformbarkeit aus, so dass auch komplizierte Teile mit geringem Kostenaufwand herstellbar sind. Der Nachteil von polymeren Werkstoffen ist allerdings ihre geringe Festigkeit, was die Einsatzmöglichkeiten von unbewehrten Polymeren stark einschränkt. Zur Bildung hochfester Werkstücke ist das Polymer mit zugfesten Fasern verstärkt, wobei insbesondere Glas- oder Carbonfasern eingesetzt werden. Diese zugfesten Fasern verleihen dem Werkstück eine beachtliche Zugfestigkeit. Durch die Einbettung der Fasern in das Polymer ergibt sich je nach Faseranordnung auch eine entsprechende Erhöhung der Schub- und Biegefestigkeit des Werkstücks. Da die Erhöhung der Festigkeit im Wesentlichen eine Folge der Zugfestigkeit der eingebetteten Fasern ist, hängt die gesamte Festigkeit des Werkstücks empfindlich von der Lage und Ausrichtung der Fasern im Werkstück ab. Aus diesem Grund war die Anwendung von maschinellen Pressverfahren zur Herstellung von Werkstücken aus faserverstärktem Polymer kaum geeignet. Diese zeit- und kostensparenden Herstellungsverfahren erlauben grundsätzlich keine Kontrolle der Faserlage innerhalb des Werkstücks. Da diese Materialkombination festigkeitstechnisch inhomogen und anisotrop ist, können bereits kleine Veränderungen der Faserlagen innerhalb des Werkstücks zu erheblichen Stabilitätseinbußen des gesamten Werkstücks führen. Aus diesem Grund wurden festigkeitsrelevante Bauteile wie beispielsweise Bootsrümpfe, Surfbretter oder Leitwerke von Flugzeugen in mühsamer und zeitaufwendiger Handarbeit gefertigt, bei der die Faserlagen Schicht für Schicht aufgebracht und kontrolliert werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Qualitätsbestimmung von Werkstücken aus faserverstärkten Polymeren zu schaffen, um eine zeit- und kostengünstigere Fertigung dieser Werkstücke bei Einhaltung vorgegebener Festigkeitswerte in der Serienproduktion zu ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Bei einem Verfahren gemäß Anspruch 1 wird die Qualität von Werkstücken aus mit Fasern verstärktem Polymer bestimmt. Als Polymer kommen sowohl duroplastische als auch thermoplastische Stoffe in Betracht. Die Fasern haben hauptsächlich die Aufgabe, dem Werkstück in Faserrichtung eine entsprechende Zugfestigkeit zu verleihen. Als Fasern werden Glas-, Carbonfasern oder Carbonnanotubes eingesetzt. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch nicht auf diese Werkstoffe beschränkt. Um im fertigen Werkstück Fehler an den Fasern erkennen zu können, wird den Fasern mindestens eines der Werkstücke zunächst eine zugfeste, aber biegsame Metalllage zugegeben. Diese Metalllage bildet zusammen mit den Fasern einen Compound, der anschließend in das mindestens eine Polymer eingebettet wird. Diese zusätzliche Metalllage hat die Aufgabe, einen darstellbaren Indikator der Faserlage zu bilden. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die Metalllage in gleicher Weise wie die Faser während des Einbettungsprozesses verhält. Da die Metalllage unmittelbar an einer Lage der Fasern anliegt, ist diese Annahme gerechtfertigt. Anschließend wird das mindestens eine Werkstück mindestens einem Aushärteprozess unterworfen, dessen konkrete Ausgestaltung im Wesentlichen vom eingesetzten Polymer abhängt. Bei duroplastischen Polymeren reicht eine gewisse Wartezeit aus, um die Polymerisation abzuschließen. Bei thermoplastischen Polymeren ist dagegen das Werkstück abzukühlen und/oder dessen Druck zu verringen, damit es den Plastifizierungspunkt unterschreitet. Daneben gibt es auch Polymere, die beispielsweise unter Einsatz von ultraviolettem Licht aushärtbar sind. Nach dem Aushärten des Polymers wird das Werkstück mittels eines bildgebenden Verfahrens untersucht. Dieses bildgebende Verfahren ist dabei derart ausgewählt, dass sowohl die eingesetzten Fasern als auch das Polymer durchdrungen werden, so dass lediglich die mindestens eine Metalllage abgebildet wird. Diese Metalllage wird mittels des bildgebenden Verfahrens auf Fehler untersucht. Da die Metalllage an mindestens einer Faserschicht unmittelbar anliegt, zeigt die im bildgebenden Verfahren abgebildete Metalllage die exakte Lage dieser Faserschicht. Fehler in der Metalllage zeigen somit Fehler in der anliegenden mindestens einen Faserschicht an. Im Rahmen einer Serienproduktion der Werkstücke ist es zwar möglich aber nicht erforderlich, die mindestens eine Metalllage jedem der zu fertigenden Werkstücke beizufügen. Es reicht vielmehr aus, einzelne Werkstücke mit der Metalllage zu versehen, um die Qualität des Herstellungsprozesses zu dokumentieren und gegebenenfalls optimierend einzugreifen. In der Entwicklungsphase kann dieses Verfahren auch dazu angewendet werden, die Formgebung des Werkstücks zu verbessern, um Fehler in der Anordnung der Faserschichten zu vermeiden. Vorzugsweise erfolgt die Formänderung des Werkstücks in einem Bereich, der später vom eigentlichen, einzusetzenden Werkstück abgetrennt wird. Nur für den Fall, dass dies nicht den gewünschten Erfolg der ausreichenden Fehlerfreiheit zur Folge hat, kann auch die Form des Werkstücks selbst oder die Anordnung der Fasern innerhalb des Werkstücks entsprechend geändert werden. Damit ist auch die Herstellung sicherheitsrelevanter Bauteile aus faserverstärkten Werkstoffen unter Einsatz automatisierter Serienfertigungsmethoden möglich. Bei einem mit der Metalllage versehenen Werkstück kann das bildgebende Verfahren auch zu einem späteren Zeitpunkt zu Revisionsarbeiten eingesetzt werden. Dabei kann untersucht werden, ob sich durch Krafteinwirkung auf das Werkstück die Faserlage unzulässig geändert hat.
-
Um mögliche Formänderungen der Metalllage besser erkennen zu können, ist es gemäß Anspruch 2 günstig, wenn die mindestens eine Metalllage ein Gitter oder Netzwerk ist. Damit lässt sich die Verformung der Metalllage besonders leicht sehen. Außerdem ist es auf diese Weise auch möglich, übereinander gefaltete Metalllagenbereiche zu erkennen, die durch eine Überwerfung gebildet sind. In diesem Fall sieht man den unteren Anteil des überworfenen Bereichs einfach durch die Gitteröffnungen der darüber liegenden Lage.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es gemäß Anspruch 3 vorteilhaft, wenn die mindestens eine Metalllage mit mindestens einen Teil der Fasern zu einer Matte zusammengehalten wird. Um die Fasern vernünftig handhaben zu können, werden diese häufig zu Matten vernäht. Als Nähgarn wird dabei hauptsächlich ein textiler Faden eingesetzt. Diese Nähte haben keinerlei Auswirkungen auf die Festigkeit des Werkstücks, sondern erleichtern lediglich das Hantieren der Fasern. Um dieses Nahtmaterial sehen zu können, reicht es aus, als Nahtmaterial einen metallischen Draht einzusetzen oder mit einem Metall zu versehen. Letzteres kann beispielsweise durch Bedampfen oder Färben mit einer metallhaltigen Farbe geschehen. Alternativ können die Fasern auch zusammen mit einer gesonderten Metalllage mit herkömmlichen Nahtmaterialien vernäht werden.
-
Besonders gefährlich sind Faserrisse, da das fertige Werkstück bei gerissenen Fasern an der Rissstelle jegliche Zugfestigkeit verliert. Derartige Risse zeichnen sich gemäß Anspruch 4 durch Risse in der Metalllage ab, so dass nur diese auf Risse zu untersuchen ist. Das Erkennen eines Risses in der Metalllage ist besonders einfach zu realisieren, da am Ort des Risses die Metalllage fehlt. Ein Riss kann daher auch problemlos durch Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen ohne Auswertung durch Personen ermittelt werden.
-
Im Falle von Überwerfungen der Fasern tritt ebenfalls eine erhebliche Schwächung des Werkstücks ein. Der Grund dafür liegt insbesondere darin, dass die Fasern bei Überwerfungen um 180° umgelenkt werden, was häufig zu Faserbrüchen führt. Eine Überwerfung der Fasern lässt sich gemäß Anspruch 5 sehr einfach durch Untersuchung von Überwerfungen der Metalllage feststellen. Im Bereich der Überwerfung liegen mindestens drei Bereiche der Metalllage übereinander, was ebenfalls durch entsprechende Bildverarbeitungsalgorithmen problemlos detektierbar ist.
-
In der Praxis kommen auch Lagefehler der Fasern vor. Beispielsweise können Fasern bei starken Krümmungen des Werkstücks zur Krümmungsinnenseite gezogen werden, so dass auf der gegenüberliegenden Krümmungsaußenseite ein Mangel an Fasern vorliegt. Dort entsteht daher eine entsprechende Polymeranhäufung, was die Festigkeit des Werkstücks in diesem Bereich beeinträchtigt. Wertet man gemäß Anspruch 6 die Lage der Metalllage innerhalb des Werkstücks aus, so können auch derartige Fehler erkannt werden. Wichtig ist dabei allerdings, dass sich die Metalllage zumindest nicht an der Krümmungsinnenseite befindet. Sie sollte sich vielmehr entweder in einem mittleren Bereich der Fasern oder im Bereich der Krümmungsaußenseite befinden. Bei kompliziert geformten Werkstücken kann es erforderlich sein, mehrere Metalllagen vorzusehen und/oder die mindestens eine Metalllage bei verschiedenen Werkstücken einer Serie in unterschiedlichen Ebenen des Werkstücks einzuführen. Auf diese Weise lassen sich auch derartige Fehler problemlos erkennen. Falls das angewendete bildgebende Verfahren nicht höhensensibel ist, kann die Lage beispielsweise aus der Verzerrung der Gitterstruktur der Metalllage berechnet werden. Alternativ ist auch daran gedacht, das Werkstück entlang kritischer Schnittlinien aufzuschneiden und die Metalllage an der Schnittkante zu erfassen.
-
Als bildgebendes Verfahren hat sich gemäß Anspruch 7 die Anwendung von Röntgen- bzw. Gamma-Strahlen bewährt. Diese durchsetzen alle bekannten Polymere und Fasern nahezu ungedämpft und bilden die Struktur der Metalllage exakt und scharf ab. Insbesondere im Medizinbereich sind derartige Geräte im Dauereinsatz, so dass hierfür auf einen hohen Entwicklungsstandard zurückgegriffen werden kann. Einziger Nachteil dieses Verfahrens ist, dass es unempfindlich gegenüber der Höhenlage der Metalllage ist, was die Lagebestimmung der Metalllage innerhalb des Werkstücks entsprechend erschwert.
-
Alternativ kann das Werkstück gemäß Anspruch 8 auch mit Ultraschallwellen durchsetzt werden. Ultraschallwellen sind für die Dichte der zu untersuchenden Materialien empfindlich, wobei sie insbesondere an Dichtegrenzen reflektiert werden. Damit lässt sich die Lage der Metalllage innerhalb des Werkstücks sogar exakt anhand der Verzögerungszeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallpulses und dem Empfang des reflektierten Signals bestimmen, so dass auf diese Weise eine präzise Erfassung der Metalllage möglich ist. Überwerfungen der Metalllage werden vorzugsweise dadurch erfasst, dass die Metalllage gitter- oder netzwerkförmig ausgebildet ist, so dass im Falle einer Überwerfung drei Reflexionssignale von der Metalllage und ein viertes von der Rückwand des Werkstücks erzeugt werden. Alternativ könnten Überwerfungen auch dadurch festgestellt werden, dass das Werkstück von beiden Seiten analysiert wird, wobei einmal die obere und einmal die untere Ebene der Überwerfung gemessen wird. Anhand einer geringen Laufzeitdifferenz bei beiden Messungen lässt sich die Überwerfung eindeutig feststellen.
-
Alternativ lässt sich die Metalllage auch unter Einsatz von Radiowellen analysieren, wobei insbesondere an Radiowellen im Gigaherz-Bereich gedacht ist. Dieses Verfahren ist jedoch bei Carbonfasern nur bedingt geeignet, da diese leitfähig sind. Im Falle von glasfaserverstärkten Polymeren können Radiowellen dagegen problemlos eingesetzt werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, ohne den Schutzumfang zu beschränken.
-
Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
2 das Ergebnis des bildgebenden Verfahrens bei intakter Metalllage,
-
3 die Darstellung gemäß 2 bei einem Riss,
-
4 die Darstellung gemäß 2 bei einer Überwerfung,
-
5 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
6 ein Leistungs-Zeit-Diagramm bei intakter Metalllage,
-
7 die Darstellung gemäß 5 beim Auftreten eines Risses in der Metalllage,
-
8 das zugehörige Leistungs-Zeit-Diagramm gemäß 7,
-
9 die Darstellung gemäß 5 beim Auftreten einer Überwerfung der Metalllage und
-
10 das zugehörige Leistungs-Zeit-Diagramm gemäß 9.
-
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte wird durch Pfeile angedeutet. Zunächst werden zu Matten gebündelte Fasern 1 mit einer Metalllage 2 zu einem Compound 3 aus Fasern und der Metalllage zusammengefügt.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass es nicht erforderlich ist, die Metalllage 2 jedem Werkstück 6 beizufügen. Insbesondere bei der Massenfertigung ist es völlig ausreichend, die Metalllage 2 nur bei ausgewählten Testexemplaren beizufügen, die dann entsprechend untersucht werden.
-
Der Compound 3 wird im nächsten Schritt in eine Pressform 4 gegeben, die aus zwei Formschalen gebildet ist. Diese Formschalen werden zusammengepresst und in die Pressform 4 ein Bindemittel in Form eines Polymers 5 eingespritzt. Alternativ oder zusätzlich kann der Compound 3 auch mit dem Polymer 5 getränkt werden. Auf diese Weise werden die Fasern 1 und die Metalllage 2 in das Polymer 5 eingebettet. Anschließend wird das Polymer 5 ausgehärtet, was im Falle eines thermoplastischen Polymers durch Abkühlen und/oder Absenkung des Drucks möglich ist.
-
Nach dem Aushärten des Polymers 5 wird das fertige Werkstück 6 der Pressform 4 entnommen. Es enthält häufig noch Randbereiche 7, die in einem späteren, nicht dargestellten Arbeitsschritt abgetrennt werden.
-
Das Werkstück 6 wird schließlich mittels eines bildgebenden Verfahrens untersucht. Dabei wird es einer Röntgenstrahlungsquelle 8 ausgesetzt, deren Röntgenstrahlung 9 das Polymer 5 und die Fasern 1 durchdringt. Die Metalllage 2 absorbiert jedoch die Röntgenstrahlung 9 teilweise, so dass sich auf einem Film 10, der vorzugsweise als Digitalfilm ausgebildet ist, ein Bild 10' der Metalllage 2 zeigt. Die Metalllage 2 ist dabei gitterförmig ausgebildet und weist Öffnungen 11 zwischen Stegen 12 auf. Diese Öffnungen 11 bilden sich auf dem Film 10 ab und zeigen somit jegliche Verzerrung der Metalllage 2.
-
Die 2 zeigt das auf dem Film 10 entstehende Bild 10' einer fehlerfreien Metalllage 2. Die Stege 12 der gitterförmigen Struktur der Metalllage 2 sind dabei verzerrt. Diese Verzerrungen sind notwendig, damit sich die Metalllage 2 und die Fasern 1 der dreidimensionalen Form der Pressform 4 anpassen können. Die Stege 12 sind beim Bild gemäß 2 durchgängig und einlagig abgebildet, so dass das untersuchte Werkstück 6 intakt ist.
-
Die 3 zeigt eine alternative Situation des Bildes 10' mit der Ausbildung eines Risses 13. Im Bereich des Risses 13 sind die horizontal verlaufenden Stege 12 abgerissen und die vertikal verlaufenden Stege 12 zur linken und rechten Seite hin verzerrt. Da die Metalllage 2 eng an der jeweiligen Matte von Fasern 1 anliegt, sind auch die Fasern 1 an der Stelle des Risses 13 gerissen, so dass das Werkstück 6 an dieser Stelle keine ausreichende Formsteifigkeit mehr besitzt. Dies zeigt somit, dass das hergestellte Werkstück 6 fehlerhaft ist und in sicherheitsrelevanten Applikationen nicht eingesetzt werden kann.
-
Die 4 zeigt eine weitere alternative Situation des Bildes 10', wobei die Metalllage 2 in einem Bereich eine Überwerfung 14 aufweist. Im Bereich der Überwerfung 14 sind drei Lagen der Metalllage 2 übereinander angeordnet, so dass man durch die Öffnungen 11 die Stege 12 der darunter liegenden Lagen erkennen kann. Eine derartige Überwerfung 14 zeigt an, dass die Fasern 1 an dieser Stelle um 180° scharfkantig umgelenkt sind, was in der Regel zum Faserbruch führt. Auch dieses Werkstück 6 ist in sicherheitsrelevanten Applikationen nicht einsetzbar.
-
Die 5 zeigt eine alternative Ausführungsform für das bildgebende Verfahren, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile benennen. Bei diesem Verfahren wird ein Ultraschallkopf 15 eingesetzt, der einen Ultraschallsender und -empfänger 16 aufweist. Dieser Ultraschallsender und -empfänger 16 erzeugt Ultraschallwellen 17, die in das Werkstück 6 eingekoppelt werden. An jeder Dichtegrenzfläche des Werkstücks 6 werden die Ultraschallwellen 17 reflektiert, so dass auf diese Weise anhand einer zeitlichen Analyse des Empfangssignals der dreidimensionale Aufbau des Werkstücks 6 analysiert werden kann.
-
Die 6 zeigt ein Leistungs-Zeit-Diagramm des Signalverlaufs des Empfangssignals des Ultraschallsenders und -empfängers 16. Dabei sind in horizontaler Richtung die Zeit und in vertikaler Richtung die empfangene Leistung aufgetragen. In diesem Diagramm ist ein starker Rückwandpeak 18 zu sehen, der von einer Rückwand 19 des Werkstücks 6 gemäß 5 stammt. Dort springt die Dichte des Schalltransportmediums von der des faserverstärkten Polymers auf die Dichte der umgebenden Luft, was eine sehr starke Schallreflexion zur Folge hat. Zeitlich vor dem Rückwandpeak ist noch ein weiterer Metalllagenpeak 20 zu erkennen, der durch Reflexion der Ultraschallwellen 17 an der Metalllage 2 hervorgerufen wird.
-
Anhand des Diagramms gemäß 6 kann die exakte Lage der Metalllage 2 innerhalb des Werkstücks 6 ermittelt werden, so dass Lageveränderungen der Metalllage 2 beispielsweise zur Rückwand 19 durch eine zeitliche Verschiebung des Metalllagenpeaks 20 erkannt werden.
-
Die 7 zeigt eine alternative Situation gemäß 5. Dabei ist in der Metalllage 2 der Riss 13 aufgetreten, was auch zum Riss der entsprechenden Fasern 1 führt. Befindet sich der Ultraschallkopf 15 über dem Riss 13, so erfolgt keine Reflexion der Ultraschallwellen 17 an der Metalllage 2.
-
Im Diagramm gemäß 8 ist daher in dieser Situation nur noch der Rückwandpeak 18, nicht jedoch der Metalllagenpeak 20 zu sehen.
-
Die 9 zeigt eine weitere Situation mit der Überwerfung 14 der Metalllage 2. Im Bereich der Überwerfung 14 sind drei Lagen der Metalllage 2 übereinander angeordnet und scharfkantig um 180° umgeknickt. Entsprechend sind die Fasern 1 an diesen Knickstellen in der Regel gebrochen.
-
In dieser Situation ergeben sich im zugehörigen Diagramm gemäß 10 drei überlappende Metalllagenpeaks 20, die von den drei übereinander angeordneten Lagen der Metalllage 2 gebildet sind.
-
Tastet man auf diese Weise das gesamte Werkstück 6 mit dem Ultraschallkopf 15 ab, so muss zu jedem Abtastpunkt lediglich die Anzahl der Metalllagenpeaks 20 gespeichert werden, die dann als Helligkeits- oder Farbinformation in einem Bild genutzt wird. Man erhält auf diese Weise ein Bild des Werkstücks 6, welches Fehler in Form von Rissen oder Überwerfungen durch unterschiedliche Helligkeiten oder Farben anzeigt.
-
Zusätzlich ist daran gedacht, auch die Position des Metalllagenpeaks 20 relativ zum Rückwandpeak 18 in die jeweilige Darstellung des Pixels einfließen zu lassen, so dass auf diese Weise auch Lagefehler unmittelbar im Bild erkannt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Informationen bezüglich fehlender oder zusätzlicher Metalllagenpeaks 20 durch unterschiedliche Farben und die relative Lage des Metalllagenpeaks 20 durch unterschiedliche Helligkeiten dargestellt. Auf diese Weise ergibt sich ein Bild mit maximaler Aussagekraft über mögliche Fehler.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Faser
- 2
- Metalllage
- 3
- Compound
- 4
- Pressform
- 5
- Polymer
- 6
- Werkstück
- 7
- Randbereich
- 8
- Röntgenstrahlungsquelle
- 9
- Röntgenstrahlung
- 10
- Film
- 10'
- Bild
- 11
- Öffnung
- 12
- Steg
- 13
- Riss
- 14
- Überwerfung
- 15
- Ultraschallkopf
- 16
- Ultraschallsender- und -empfänger
- 17
- Ultraschallwelle
- 18
- Rückwandpeak
- 19
- Rückwand
- 20
- Metalllagenpeak
