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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen eines Faserwinkels von Verstärkungsfasern in einem Faserverbund oder einer Vorform eines Faserverbunds, wobei eine Oberfläche des Faserverbunds oder der Vorform beleuchtet und das von der Oberfläche reflektierte Licht mit einer optischen Kamera registriert wird.
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Bei der Vorform des Faserverbunds kann es sich um eine solche handeln, die im Wesentlichen nur die Verstärkungsfasern des späteren Faserverbunds aufweist und die aus sogenannten Preforms ausgebildet sein kann. Es kann sich aber auch um eine Vorform handeln, bei der die Verstärkungsfasern zum Beispiel in sogenannten Prepregs bereits zusammen mit einem Matrixharz vorliegen, das zusammen mit den Verstärkungsfasern den späteren Faserverbund ausbildet.
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STAND DER TECHNIK
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Faserverbundwerkstoffe finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung, insbesondere wenn es auf hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit ankommt. Ein Hauptanwendungsgebiet ist dabei die Luft- und Raumfahrt. Gerade hier können kritische Strukturelemente aufgrund der hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Faserverbundwerkstoffen bei minimalem Gewicht zu Höchstleistungen gebracht werden. Durch die aus der Orientierung von Verstärkungsfasern eines Faserverbunds resultierenden anisotropen Eigenschaften können Bauteile exakt an lokale Belastungen angepasst werden. Dies ermöglicht eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
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Bei der Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen kommen trockene Halbzeuge in Form von Fasergelegen und Geweben, d. h. so genannte Preforms, und/oder vorimprägnierte Fasern, d. h. so genannte Prepregs, zum Einsatz. Für die gewünschten Eigenschaften eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff kommt es darauf an, dass seine Verstärkungsfasern die richtige Orientierung gegenüber den äußeren Abmessungen des Bauteils aufweisen. Diese Orientierung wird hier als Faserwinkel bezeichnet. Deshalb ist es ein wesentlicher Teil der Qualitätskontrolle von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen, die Orientierung der Verstärkungsfasern zu überprüfen. Diese Überprüfung ist nicht nur bei der manuellen Ablage von Preforms oder Prepregs auf einem Formwerkzeug erforderlich. Auch wenn für die Fertigung von Bauteilen mit komplexen Geometrien automatisierte Drapierprozesse eingesetzt werden, die ein zweidimensionales Gelege oder Gewebe auf einem dreidimensionalen Formwerkzeug drapieren, ist es essenziell die Faserorientierung zu überprüfen. Dies gilt insbesondere für stark 2fach-gekrümmte Geometrien.
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Um Faserwinkel von Verstärkungsfasern bei Faserverbunden und Vorformen für Faserverbunde zu messen, werden häufig optische Verfahren eingesetzt. Bei einem bekannten optischen Verfahren werden Faserhalbzeuge mit externen Lichtquellen, beispielsweise Halogenlampen oder Leuchtdioden beleuchtet. Durch die im Herstellungsprozess auf der dem Formwerkzeug abgekehrten Oberfläche eingebrachten Vertiefungen oder Oberflächenrauhigkeiten von insbesondere trockenen Preforms wird das Licht unterschiedlich stark reflektiert. So kann mit Hilfe industrieller Bildverarbeitung aus dem von der Oberfläche reflektierten Licht, das mit Hilfe einer optischen Kamera aufgenommen wird, die Orientierung der Verstärkungsfasern abgeleitet werden.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Messung eines Faserwinkels von Verstärkungsfasern eines Faserverbunds besteht im Einbringen von Wärmequellen und anschließenden Auswerten eines mit einer Infrarotkamera aufgenommenen Bilds des Faserverbunds. Dies ist möglich da die Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung deutlich höher ist als quer zur Faserrichtung. Speziell bei Kohlenstofffasern können durch Einkoppeln elektromagnetischer Felder Wirbelströme induziert werden, die den Faserverbund lokal aufwärmen.
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Es ist auch möglich, elektromagnetische Felder zu messen, die von in Kohlenstofffasern induzierten Wirbelströmen ausgehen, um daraus Rückschlüsse auf die Faserorientierung zu ziehen.
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Weiterhin sind berührend messende Verfahren in Form hochsensibler Taster bekannt, um von der Ausbildung des Faserverbundwerkstoffs herrührende Vertiefungen bzw. hierdurch begrenzte Fasergelege zu detektieren und daraus auf die Faserorientierung zu schließen.
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Von den hier beschriebenen bekannten Verfahren ist nur das zuerst genannte optische Verfahren ausreichend schnell, um in einer industriellen Fertigung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen Anwendung zu finden. Dabei stellt sich jedoch heraus, dass von schwarzen Kohlenstofffasern ein Großteil des durch Halogenlampen oder LED eingebrachten Lichts absorbiert wird, so dass nur wenig Licht reflektiert, registriert und ausgewertet werden kann, und die Auswertung durch Umgebungslicht leicht gestört wird.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen eines Faserwinkels von Verstärkungsfasern in einem Faserverbund oder eine Vorform eines Faserverbunds aufzuzeigen, das gegenüber Umgebungslicht weniger empfindlich ist.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen eines Faserwinkels von Verstärkungsfasern in einem Faserverbund oder einer Vorform eines Faserverbunds, wobei eine Oberfläche des Faserverbunds oder der Vorform beleuchtet und das von der Oberfläche reflektierte Licht mit einer Kamera registriert wird, wird die Oberfläche mit strukturiertem Licht aus einer Richtung beleuchtet und das von der Oberfläche reflektierte Licht aus einer anderen Richtung mit der Kamera registriert.
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Durch die Strukturierung des Lichts, mit dem die Oberfläche des Faserverbunds oder der Vorform beleuchtet wird, in Form abgegrenzter Punkte, Linien, Streifen oder sonstiger definierter Hell-Dunkel-Muster wird die Leistung des eingesetzten Lichts auf eine kleinere Fläche konzentriert. D. h. bei gleicher Leistung ist die Intensität des strukturierten Lichts größer. Zudem wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das strukturierte Licht aus einer anderen Richtung mit der Kamera registriert, als es auf die Oberfläche des Faserverbunds oder der Vorform gerichtet wird. Hierdurch ergibt sich eine hochempfindliche Anordnung für die Erfassung von jeglicher Profilierung des Faserverbunds bzw. der Vorform. Bei geeigneter Strukturierung des Lichts, mit dem die Oberfläche beleuchtet wird, lassen sich aus den Richtungen, aus denen das Licht auf die Kamera reflektiert wird, bzw. den entsprechenden Bildpunkten des mit der Kamera aufgenommenen Bilds der Oberfläche jegliche Höhenvariationen mit hoher Genauigkeit erfassen. Hierzu zählen nicht nur Höhenkonturen in Folge von Rändern von Fasergelegen sonder auch Höhenkonturen, die allein durch den Verlauf der Verstärkungsfasern in dem Faserverbund oder der Vorform begründet sind.
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Grundsätzlich mögen zwar Verfahren, bei denen ein Höhenprofil einer Oberfläche durch Beleuchten mit strukturiertem Licht aus einer Richtung und Registrieren des von der Oberfläche reflektierten Lichts aus einer anderen Richtung bestimmt wird, bekannt sein. Dennoch ist es überraschend, dass mit solchen Verfahren aussagekräftige Informationen über die Richtung des Verlaufs von Verstärkungsfasern in Faserverbunden und Vorformen von Faserverbunden erhalten werden, so dass deren interessierender Faserwinkel bestimmt werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Oberfläche mit dem strukturierten Licht abgetastet werden. D. h., die Richtung, aus der das strukturierte Licht auf die Oberfläche gerichtet wird, wird so verändert, dass Informationen über alle Bereiche der Oberfläche aus dem reflektierten Anteil des strukturierten Lichts zur Verfügung stehen. Das Abtasten der Oberfläche mit dem strukturierten Licht ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das strukturierte Licht jeweils nur einen kleinen Teil der Oberfläche mit Licht hoher Intensität beaufschlagt.
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Bei der Auswertung des mit der Kamera registrierten reflektierten Lichts kann insbesondere aus dessen räumlicher Intensitätsverteilungen, z. B. durch Triangulation, ein Höhenprofil der Oberfläche rekonstruiert werden. Aus diesem Höhenprofil oder auch dem Verlauf von einzelnen Profilinien über die Oberfläche kann dann auf den Verlauf der Verstärkungsfasern längs der Oberfläche geschlossen werden.
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Aus der Intensitätsverteilung des mit der Kamera registrierten von der Oberfläche reflektierten Lichts kann auch ein Verlauf mindestens eines sich durch verstärkte Reflexion auszeichnenden Fadens längs der Oberfläche bestimmt werden. So zeichnen sich beispielsweise so genannte Nähfäden von bestimmten Preforms und Prepregs aufgrund ihrer hellen Farbe durch eine verstärkte Reflexion des Lichts aus, mit dem die Oberfläche beleuchtet wird. Indem der Verlauf dieser Nähfäden verfolgt wird, kann auf den Verlauf der Verstärkungsfasern geschlossen werden, wenn diese wie üblich eine definierte Orientierung zu den Nähfäden aufweisen.
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Darüber hinaus kann der Verlauf der Verstärkungsfasern in einem Faserverbund aus der Kombination von Vermessung des Höhenprofils der Oberfläche und Auswertung der Intensitätsverteilung des längs bestimmter Höhenkonturen von der Oberfläche reflektierten Lichts erfasst werden.
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Um die Oberfläche mit dem strukturierten Licht zu scannen, kann es insbesondere bei komplexen Faserverbunden oder entsprechenden Vorformen für komplexe Bauteile sinnvoll sein, die Kamera und eine Lichtquelle für das strukturierte Licht in definierter Relativanordnung zueinander mit einem Roboter gegenüber dem Faserverbund oder der Vorform zu verfahren. Wenn dabei die jeweilige Stellung des Roboters berücksichtigt wird, kann aus den Intensitätsverteilungen des mit der Kamera registrierten Lichts auch auf äußere Abmessungen des Faserverbunds bzw. der Vorform geschlossen werden. D. h., neben der Überwachung des Verlaufs der Verstärkungsfasern kann auch eine Qualitätskontrolle bezüglich der äußeren Abmessungen des Faserverbunds oder der Vorform durchgeführt werden.
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Die äußeren Abmessungen des Faserverbunds oder der Vorform können unmittelbar als Bezugssystem dienen, gegenüber dem der Faserwinkel gemessen und insbesondere auf das Einhalten einer Vorgabe überprüft wird. Der jeweilige Faserverbund oder die jeweilige Vorform kann aber auch gegenüber dem statischen Messsystem verfahren werden. Dazu können definierte Abstützpunkte vorgesehen werden, oder die Messanordnung bzw. der Roboter wird direkt gegenüber einem Formwerkzeug für den Faserverbund bzw. die Vorform angeordnet.
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Das strukturierte Licht kann bezüglich seiner eingesetzten Gesamtlichtintensität besonders effizient eingesetzt werden, wenn es monochromatisches Licht ist, indem mit der Kamera nur reflektiertes Licht registriert wird, dass die Wellenlänge dieses monochromatischen Lichts aufweist. Hierzu kann der Kamera z. B. ein Farbfilter vorgeschaltet werden. Auf diese Weise wird auch Umgebungslicht bis auf den Anteil unterdrückt, der zufällig die Wellenlänge des monochromatischen Lichts aufweist. Dies bedeutet in aller Regel eine erhebliche Verbesserung des Signals zu Rauschen-Verhältnisses.
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Insbesondere kann das strukturierte Licht Laserlicht sein. Dabei kann die Strukturierung im Ergebnis auch dadurch erfolgen, dass die Oberfläche mit dem Laserlicht in Form eines parallelen Strahlenbündels geringen Durchmessers abgetastet wird, das quasi-punktförmig auf die Oberfläche auftrifft. Wenn die Oberfläche mit dem Laserlicht in einer Richtung abgetastet wird, ergeben sich im Bild der Kamera die Punkte einer Profillinie der Oberfläche längs dieser Richtung.
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Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch, wenn das strukturierte Licht einen Lichtschnitt oder mehrere, dann bevorzugt parallele Lichtschnitte aufweist. Derartige Lichtschnitte zeigen sich im Bild der Kamera als Linien, die abhängig von dem Höhenprofil der Oberfläche, von der das Licht zu der Kamera reflektiert wurde, von einer geraden Linie abweichen. Jede Linie in dem Bild der Kamera entspricht dabei einer Profillinie der Oberfläche längs einer Schnittebene. Mit mehreren Lichtschnitten werden Profillinien der Oberfläche längs mehrerer solcher paralleler Schnittebenen erfasst. Damit wird direkt der Verlauf dieser Profillinien über die Oberfläche hinweg, d. h. das Höhenprofil der Oberfläche, erfasst.
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Ein Lichtschnitt aus Laserlicht ist besonders einfach auszubilden, indem ein Laserstrahl mit Hilfe einer Zylinderlinse aufgefächert wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 zeigt schematisch eine Anordnung einer Lichtquelle und einer Kamera zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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2 zeigt eine Profillinie einer Oberfläche einer Vorform eines Faserverbunds, wie es bei Verwendung der Anordnung gemäß 1 mit der Kamera registriert wird.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt schematisch eine Vorform 1 eines Faserverbunds, die mit gestrichelten Linien dargestellte Verstärkungsfasern 2 aufweist. Die Verstärkungsfasern können dabei bereits mit einem Matrixharz 3 benetzt sein. Die Verstärkungsfasern 2 wirken sich an einer Oberfläche 4 der Vorform 1 in Form eines allerdings nur schwach ausgeprägten Höhenprofils aus. Dieses Höhenprofil wird mit Hilfe eines Messkopfs 5 berührungslos erfasst, um den Faserwinkel der Verstärkungsfasern 2 gegenüber einer in Bezug auf den Messkopf 5 definierten Richtung zu messen und mit einem vorgegebenen Faserwinkel zu vergleichen. Der Messkopf 5 weist eine Lichtquelle 6 auf. Die Lichtquelle 6 umfasst einen Laser 7, der einen monochromatischen Laserstrahl 8 abgibt. Der monochromatische Laserstrahl 8 wird mit einer hier durch eine Zylinderlinse 9 angedeuteten Aufweitungsoptik zu einem sich in einer Ebene erstreckenden Lichtschnitt 10 fächerförmig aufgeweitet. Mit dem Lichtschnitt 10 wird die Oberfläche 4 linienförmig beleuchtet. Das von der Oberfläche 4 reflektierte Licht 11 wird mit einer Kamera 12 registriert, die ein Objektiv 13 und einen zweidimensionalen Bildsensor 14 umfasst. Dabei ist die Kamera 12 aus einer anderen Richtung auf die Oberfläche 4 gerichtet als die Lichtquelle 6. Das Höhenprofil der Oberfläche 4 macht sich dadurch in Form von Abweichungen des Bilds der Linie 15, längs welcher der Lichtschnitt 10 auf die Oberfläche 4 trifft, von einer Geraden bemerkbar.
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Ein schematisches Beispiel eines mit der Kamera 12 aufgezeichneten Bilds der Linie 15, d. h. eine Profillinie 20 des Höhenprofils der Oberfläche 4 in Richtung des Lichtschnitts 10 zeigt 2. Diese Profillinie 20 weist eine weitgehend uniforme schwache Welligkeit aufgrund der Verstärkungsfasern 2 auf. Größere Sprünge der Profillinie 20 können sich am Rand einer Preform oder eines Prepregs ergeben, aus dem die Vorform 1 aufgebaut ist. Solche Sprünge sind in 2 nicht gezeigt. 2 zeigt jedoch einen Bereich 16, der aufgrund seines Verlaufs auf eine Erhöhung der Oberfläche 4 und aufgrund seiner Helligkeit auf eine stärkere Reflektion der Oberfläche 4 hinweist. Konkret kann es sich bei dem Bereich 16 um den Bereich eines Nähfadens 17 handeln, der hier parallel zu den Verstärkungsfasern 2 verläuft und sich deutlicher als diese an der Oberfläche 4 zeigt.
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Eine einzelne Profillinie 20 gemäß 2 lässt den Verlauf der Verstärkungsfasern 2 und des Nähfadens 17 noch nicht erkennen. Hierzu müssen mehrere parallele Lichtschnitte 10 gemäß 1 ausgebildet und bezüglich ihres von der Oberfläche 4 reflektierten und mit der Kamera 12 registrierten Lichts ausgewertet werden. Dazu ist der Messkopf 5 gemäß 1 in Richtung des Pfeils 18 gegenüber der Oberfläche 4 verschiebbar. Aufgrund dieser Verschiebung des Messkopfs 5 wandert der Lichtschnitt 10 und damit die Linie 15, längs welcher der Lichtschnitt 10 die Oberfläche 4 schneidet, über die Oberfläche 4 hinweg. Auf diese Weise wird die Oberfläche 4 mit der Linie 15 abgetastet. Wenn dabei kontinuierlich Bilder mit der Kamera 12 aufgenommen werden, kann der Verlauf der Profillinie 20 in diesen Bildern und damit der Verlauf der Verstärkungsfasern 12 längs der Oberfläche 4 verfolgt und auf dieser Basis der Faserwinkel der Verstärkungsfasern gegenüber der Richtung des Pfeils 19 bestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorform eines Faserverbunds
- 2
- Verstärkungsfaser
- 3
- Matrixharz
- 4
- Oberfläche
- 5
- Messkopf
- 6
- Lichtquelle
- 7
- Laser
- 8
- Laserstrahl
- 9
- Aufweitungsoptik
- 10
- Lichtschnitt
- 11
- Reflektiertes Licht
- 12
- Kamera
- 13
- Objektiv
- 14
- Bildsensor
- 15
- Linie, längs welcher der Lichtschnitt 10 die Oberfläche 4 schneidet
- 16
- Bereich erhöhter Intensität des von der Oberfläche 4 reflektierten Lichts 11
- 17
- Nähfaden
- 18
- Pfeil, der die Richtung der Verschiebung des Messkopfs 5 anzeigt
- 19
- Pfeil, der die Richtung das aus der Verschiebung des Messkopfs 5 resultierende Wandern der Linie 15 anzeigt
- 20
- Profillinie
