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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Imprägnierung eines faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffes sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffes.
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Die Herstellung von faserverstärkten, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen, erfolgt heutzutage auf unterschiedliche Weise. Bei dem sogenannten Film-Stacking-Verfahren wird ein textiles Halbzeug, beispielsweise ein Gewebe, Gelege oder Flies mit einer oberhalb und unterhalb des textilen Halbzeugs angeordnete Kunststofffolie unter Druck und Temperatur zu einem Verbund gepresst. Die Temperatur während des Verpressens liegt zumeist oberhalb der Schmelztemperatur der Kunststofffolie, so dass sich die Viskosität abhängig von der gewählten Temperatur erniedrigt und es zu einer Benetzung der Fasern des textilen Halbzeugs, also einer Imprägnierung der Fasern des textilen Halbzeugs kommt. Abhängig von den beiden Parametern Druck und Temperatur resultiert eine Imprägnierungszeit, welche einen fehlerfreien Kunststoffverbundwerkstoff bereitstellt. Eine zu lang angesetzte Imprägnierzeit verringert die Produktivität des Herstellverfahrens unmittelbar. Eine zu kurz angesetzte Imprägnierungszeit bedeutet allerdings, dass im Verbundwerkstoff Fehlstellen vorhanden sind, welche zu negativen mechanischen Eigenschaften führen. Die sogenannten „Organobleche” müssen daher einem aufwendigen Prüfverfahren, beispielsweise einem 3-Punkt-Biegeversuch unterzogen werden. Eine andere Möglichkeit die Imprägnierung des textilen Halbzeugs zu prüfen, wird durch Schliffbilder erreicht, welche ebenfalls zu einem hohen Prüfaufwand führen. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen basiert auf dem Resin-Transfer-Moulding-(RTM)-Verfahren, bei welchem in ein geschlossenes Werkzeug das textile Halbzeug eingelegt wird und mit einem Duroplasten im Transfer-Moulding-Verfahren infiltriert wird. Der Duroplast härtet dann im RTM-Werkzeug zumindest teilweise aus, bis das Bauteil entnommen werden kann. Auch bei dem RTM-Verfahren ergibt sich das Problem, dass die Imprägnierung überprüft werden muss, um eine gleichbleibende Qualität des hergestellten Kunststoffverbundwerkstoffs zu gewährleisten. Aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 201 02 569 U1 ist ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Werkstoffen bekannt, bei welchem der Aushärtegrad eines Duroplasten bei der Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffs unter Verwendung von Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern gemessen wird. Eine Bestimmung des Benetzungszustandes bzw. des Imprägnierungsgrades wird nicht durchgeführt.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Überprüfung der Imprägnierung eines faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffs bereitzustellen, mit welchem bereits während der Produktion eine optimale Imprägnierung der Faserbestandteile des faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffs gewährleistet werden kann. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen bereitzustellen, mit welchen optimal imprägnierte Kunststoffverbundwerkstoffe hergestellt werden können.
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Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, dass während der Herstellung des Kunststoffverbundwerkstoffs der Grad der Imprägnierung der Fasern unter Verwendung einer Anordnung von mindestens einem Ultraschallsender und mindestens einem Ultraschallempfänger geprüft wird.
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Die Erfinder haben festgestellt, dass durch die Verwendung mindestens eines Ultraschallsenders und mindestens eines Ultraschallempfängers es möglich ist, bereits bei der Produktion des faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffs die Imprägnierung der Fasern, d. h. die Benetzung der Fasern anhand von Ultraschallsignalen festzustellen und insofern die Imprägnierzeit optimal auszuwählen. In Abhängigkeit des Imprägnierungsgrades ändert sich das empfangene Ultraschallsignal. Bei wenig Imprägnierung liegt ein schwaches bzw. gar kein Empfangssignal vor und mit Zunahme der Imprägnierung steigt das Empfangssignal an. Mit Kunststoff imprägniert werden vorzugsweise Kohle- und Glasfasern.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens ein Ultraschallsender und mindestens ein Ultraschallempfänger paarweise auf beiden Seiten des Kunststoffverbundwerkstoffs gegenüberliegend angeordnet und der Grad der Imprägnierung durch ein Durchschallverfahren bestimmt wird. Durchschallverfahren bedeutet vorliegend, dass der Ultraschallsender die Ultraschallimpulse durch den Kunststoffverbundwerkstoff zum Ultraschallempfänger sendet. Bei dem Ultraschallempfänger werden dann Laufzeitunterschiede und Intensitäten ermittelt, welche Rückschlüsse auf den Imprägnierungsgrad der jeweiligen Durchschallposition des Kunststoffverbundwerkstoffes ermöglichen. Die Signale sind beispielsweise sinusförmige Schwingungen mit einer bestimmten Amplitude sowie Frequenz, die vom Sender ausgesendet werden. Das am Ultraschallempfänger empfangene Signal besitzt die gleiche Form, die Amplitude steigt mit dem Imprägnierungsgrad an. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mindestens ein Ultraschallsender- und Ultraschallempfängerpaar synchron bewegbar angeordnet und wird während des Herstellverfahrens in seiner Position verändert, so dass über diese Ausgestaltung zumindest eine Teilfläche des Kunststoffverbundwerkstoffs in Bezug auf die Imprägnierung geprüft werden kann. Im Ergebnis besteht die Möglichkeit, nicht nur ausgewählte Punkte des Kunststoffverbundwerkstoffs zu vermessen, sondern die Imprägnierungszeit auch auf die Imprägnierung des gesamten Kunststoffverbunds abzustimmen.
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Gleichzeitig oder alternativ kann eine Mehrzahl an Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern vorgesehen sein, welche ortsfest angeordnet sind und einen flächigen Bereich des Kunststoffverbundwerkstoffs durchschallen. Auch durch diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich große Bereiche des Kunststoffverbundwerkstoffs in Bezug auf die Imprägnierung überprüfen und gewährleisten, dass die Imprägnierzeit, d. h. die Zeit, welche man dem Kunststoff gibt, die Fasern des Gewebes möglichst vollständig zu benetzen, optimal eingestellt werden kann.
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Im Prinzip ist auch denkbar, die Messung des Imprägnierungsgrades auch mit einseitig angeordneten Ultraschallsendern- und -empfängeranordnungen durchzuführen, die dann das an der Rückseite des Materials reflektierte Signal messen.
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Wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Kunststoffverbundwerkstoff durch ein Film-Stacking-Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung mit einem Stempel und einer Matrize hergestellt, wobei die Ultraschallsender und Ultraschallempfänger in dem Stempel und der Matrize angeordnet sind, kann ein besonders effektives Verfahren bereitgestellt werden, bei welchem die Imprägnierung des Gewebes bereits „in-situ” bestimmt werden kann. Insbesondere kann durch die während der Anwendung des Film-Stacking-Verfahrens durchgeführte Imprägnierungsmessung festgestellt werden, welche Druck- und Temperaturparameter beim Film-Stacking-Verfahren zu einer besonders guten Imprägnierung der Halbzeuge führt.
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Wird bei dem Film-Stacking-Verfahren der Abstand von Stempel und Matrize unter Verwendung mindestens eines Abstandssensors gemessen, können während des Herstellverfahrens auch Schwindungsprozesse überwacht, kontrolliert und ausgeglichen werden. Im Ergebnis sind besonders maßgenaue faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe herstellbar.
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Alternativ zum Film-Stacking-Verfahren wird gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Resin-Transfer-Mould(RTM)-Verfahren verwendet, bei welchem die in ein Werkzeug mit einer ersten und einer zweiten Werkzeughälfte eingelegten Fasern mit mindestens einem in das Werkzeug injizierten Duroplast infiltriert werden und der Imprägnierungsgrad der Fasern im Werkzeug gemessen wird. Durch die Imprägnierungsmessung lassen sich Rückschlüsse auf die zu verwendenden Parameter für das Resin-Transfer-Mould-Verfahren, also beispielsweise auf die Temperatur bzw. Viskosität des verwendeten Duroplastes schließen.
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Darüber hinaus wird das erfindungsgemäße Verfahren, welche das Resin-Transfer-Mould-Verfahren verwenden, dadurch weiter vorteilhaft ausgestaltet, dass der Fließfrontenverlauf und/oder der Aushärtegrad des Duroplasten gemessen wird. Die Messung der Infiltration wird einfach anhand der Amplitude des Ultraschallsignals durchgeführt. Der Aushärtegrad kann ebenfalls durch Messung der Amplitude des Ultraschallsignals bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoff vor dem Imprägnieren auf einem Halbzeugträger montiert und anschließend in eine Vorrichtung zur Durchführung des Film-Stacking- oder des RTM-Verfahrens mit dem Halbzeugträger eingelegt. Durch die Verwendung der Halbzeugträger kann das Herstellverfahren vereinfacht werden, da der Halbzeugträger außerhalb des eigentlichen Film-Stacking-Werkzeuges bzw. außerhalb des eigentlichen RTM-Werkzeuges montiert werden kann und das Einlegen des Halbzeugträgers in die entsprechenden Werkzeuge einfacher ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während des Herstellverfahrens gleichzeitig Temperaturen, Zeiten und optional Drücke gemessen und zur Verfahrenssteuerung verwendet. Bei dem Film-Stacking-Verfahren bilden Zeit, Druck und Temperatur wichtige Parameter, beispielsweise der Druck der Presse und die Temperaturen der Matrize bzw. des Stempels, um die physikalischen Prozesse bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen zu steuern. Beim RTM-Verfahren sind die Zeit, der Einspritzdruck und optional die Temperatur des Duroplasten sowie die Temperatur des RTM-Werkzeugs spezifische Parameter, welche aufgrund ihrer Einflüsse auf die Viskosität des Duroplasten die Imprägnierung der Fasern und damit die Qualität des Kunststoffverbundwerkstoffes stark beeinflussen.
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Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffes dadurch gelöst, dass ein Werkzeug mit einer ersten und einer zweiten Werkzeughälfte, mindestens ein Ultraschallsender und mindestens ein Ultraschallempfänger vorgesehen sind, wobei der Ultraschallsender und -empfänger in der ersten und/oder in der zweiten Werkzeughälfte angeordnet sind, um während der Herstellung den Grad der Imprägnierung des Kunststoffverbundes mit einem Durchschallverfahren zu messen Wie bereits ausgeführt, kann durch das Vorsehen der Imprägnierungsmessung im Werkzeug während der Herstellung des Kunststoffverbundwerkstoffes der Grad der Imprägnierung gemessen und zur Steuerung des Herstellverfahrens verwendet werden. Diese „in situ”-Messung erlaubt eine sehr präzise Einstellung der Imprägnierzeit und damit die Herstellung von hoch qualitativen faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind eine Mehrzahl an Temperatur- und optional Drucksensoren vorgesehen, deren Messwerte über eine Steuerung zur Prozessführung verwendbar sind. Hierdurch lässt sich der Imprägnierungsprozess sehr gut steuern.
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Ist mindestens ein Ultraschallsender und mindestens ein Ultraschallempfänger jeweils paarweise synchron bewegbar angeordnet, besteht die Möglichkeit mit wenigen Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern einen großen, flächigen Bereich des Verbundwerkstoffs zu vermessen und im Hinblick auf die Imprägnierung zu qualifizieren.
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Alternativ oder kumulativ kann eine Mehrzahl an Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern vorgesehen sein, welche zumindest eine Teilfläche des Kunststoffverbundwerkstoffes durchschallen. Hierdurch kann zeitgleich ein flächiger Bereich des herzustellenden Kunststoffverbundwerkstoffs im Hinblick auf den Imprägnierungsgrad geprüft werden.
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Weist das Werkzeug einen Stempel und eine Matrize auf, so dass ein Film-Stacking-Verfahren durchführbar ist, wobei mindestens ein Ultraschallsender und/oder mindestens ein Ultraschallempfänger im Stempel und/oder der Matrize angeordnet sind, können faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe, welche eine Matrix aus thermoplastischen Kunststoffen aufweisen, präzise hergestellt werden.
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Um das Schwindungsmaß des Kunststoffes bei der Herstellung des faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffs zu berücksichtigen, ist vorzugsweise mindestens ein Abstandssensor im Stempel und/oder in der Matrize vorgesehen, welcher den Abstand von Stempel und Matrize messen kann. Alternativ ist auch denkbar die Position der üblicherweise in einer Presse eingebauten ersten und zweiten Werkzeughälfte über die Presse abzufragen und als Abstand zwischen Stempel und Matrize zu benutzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Ultraschallsender und Ultraschallempfänger in einer ersten und einer zweiten Werkzeughälfte eines Resin-Transfer-Mould(RTM)-Werkzeugs angeordnet. Mit den Ultraschallsendern und -empfängern ist es damit insbesondere möglich nicht nur die Imprägnierung der Fasern während des RTM-Verfahrens zu messen, sondern auch das Fließfrontverhalten des Duroplasten während der Durchführung des RTM-Verfahrens zu bestimmen. Hierdurch lasen sich Verfahrensparameter bestimmen, welche zur Verbesserung der Qualität der hergestellten Kunstverbundwerkstoffe dienen.
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Schließlich ist gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Halbzeugträger vorgesehen, welcher zur Aufnahme der Faserwerkstoffe ausgebildet ist und in die Werkzeuge des Film-Stacking-Verfahrens oder des RTM-Verfahrens eingelegt werden kann. Hierdurch kann die Vorbereitungshandlung zur Durchführung des Herstellverfahrens vereinfacht werden und gleichzeitig die Prozesssicherheit bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffverbundwerkstoffe verbessert werden. Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt
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1 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung zur Durchführung des Film-Stacking-Verfahrens,
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2 in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbzeugträgers,
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3 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung zur Durchführung des RTM-Verfahrens und
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4a), b) in einem Diagramm die Ultraschallsignale eines Ultraschallsenders bzw. Empfängers bei verschiedenen Zuständen des faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffs.
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Ein für das Film-Stacking-Verfahren ausgestaltetes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffes zeigt 1. Im Pressengestell 1 ist ein Werkzeug mit einer ersten Werkzeughälfte 1a, in welcher ein Stempel 2 angeordnet ist und einer zweiten Werkzeughälfte 1b, in welcher eine Matrize 6 angeordnet ist, angeordnet. In Verbindung mit einem Hydraulikzylinder 3 kann der Stempel 2 in Richtung des in der Matrize 6 angeordneten Halbzeugträgers 4 und des eingelegten Stapels aus Folien und Fasern 4a bewegt werden. Der Stempel 2 ist wie die Matrize 6 über Heizelemente 5 und 7 temperierbar. Die Temperatur des Stempels 2 und der Matrize 6 kann über Temperatursensoren 11 bestimmt und gesteuert werden. In der Matrize 6 ist der Halbzeugträger 4 eingelegt, um den Stapel aus Folien und Fasern im Film-Stacking-Verfahren zu einem Kunststoffverbundwerkstoff zu pressen.
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Gleichzeitig sind in der Vorrichtung in 1 mehrere Ultraschallsender 8 in der Matrize 6 und mehrere Ultraschallempfänger 9 im Stempel 2 vorgesehen. Die Ultraschallsender und -empfänger sind gegenüberliegend auf beiden Seiten des Stapels aus Folien und Fasern 4a angeordnet. Über diese Anordnung kann der herzustellende faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoff nahezu vollständig mittels Ultraschall während der Herstellung durchschallt werden. Aufgrund von Signaländerungen kann festgestellt werden, ob die Imprägnierung vollständig erfolgt ist oder nicht. Denkbar ist auch eine einseitige Anordnung mindestens eines Ultraschallsenders und Ultraschallempfängers, um den Imprägnierungsgrad messen zu können. Wie bereits ausgeführt, muss zur Messung des Imprägnierungsgrades dann das an der Rückseite des Kunststoffverbundwerkstoffes reflektierte Signal ausgewertet werden.
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Eine Mehrzahl an Ultraschallsendern 8 und Ultraschallempfängern 9 ist im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ortsfest im Stempel 2 bzw. der Matrize 6 angeordnet. Hierdurch wird gewährleitstet, dass die Imprägnierung in einem flächigen Bereich zeitgleich vermessen werden kann. Alternativ dazu und in der Figur nicht dargestellt, kann mindestens ein Ultraschallsender- und Ultraschallempfängerpaar synchron über einen Bereich bewegbar angeordnet sein, so dass ebenfalls eine Teilfläche des Kunstsoffverbundwerkstoffes durchschallt werden kann.
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Bei der Beaufschlagung des eingelegten Stapels aus Folien und Fasern, welcher auch als Halbzeug bezeichnet wird, unter Verwendung von Druck und Temperatur über den Stempel 2 schwindet der Kunststoffverbund, was über die Abstandssensoren 10 gemessen werden kann. Über den ebenfalls gemessenen Pressendruck im Hydraulikzylinder 3 kann der Druck nachgeführt werden, so dass die Position des Stempels 2 sich entsprechend ändert und der Druck gleichbleibend anliegt und zur Imprägnierung der Fasern führt.
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Wie bereits zuvor dargelegt, kann über den in 2 dargestellten Halbzeugträger 4 eine besonders einfache Bereitstellung des zu verpressenden Stapels außerhalb der Vorrichtung 1 erfolgen. Der Halbzeugträger 4 ist lediglich schematisch dargestellt und ist auf einem Halbzeugträgertisch 12 angeordnet, welcher frei zugänglich durch nicht dargestellte Handlingsysteme oder manuell mit einem Stapel 4a an Folie und Fasern beschickt werden kann. Das Einlegen des Halbzeugträgers 4 in die Vorrichtung 1 bzw. das Entnehmen des fertig gepressten faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffteils aus der Vorrichtung 1 gestaltet sich bei der Verwendung des Halbzeugträgers 4 besonders einfach und kann auch durch Handlingssysteme automatisiert erfolgen.
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Der Halbzeugträger 4 kann beispielsweise für das Film-Stacking-Verfahren aus einer Ober- und Unterplatte bestehen, zwischen welche die Fasern und die Folien eingelegt werden. Die Ober- und unterplatte kann beispielsweise ringförmig ausgebildet sein.
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Durch die Verwendung der Ultraschallsender und -empfänger besteht die Möglichkeit die Imprägnierungszeit zu optimieren und damit die Anzahl der Fehlstellen im faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoff zu minimieren. Der Imprägnierungsgrad kann damit online zur Prozessführung verwendet werden. Hierdurch wird eine besonders hohe Qualität an faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen herstellbar.
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Grundsätzlich kann der Halbzeugträger 4 auch in RTM-Verfahren eingesetzt werden. 3 zeigt jedoch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des RTM-Verfahrens 13 in einer Schnittansicht in der Form eines geschlossenen Werkzeugs, welches aus einer ersten Werkzeughälfte 17 und einer zweiten Werkzeughälfte 18 besteht und eine Kavität 14 aufweist, in welcher beispielsweise das Gewebe 15 angeordnet ist. Ein Halbzeugträger wird nicht verwendet. Der duroplastische Kunststoff wird durch eine Öffnung 16 in die Kavität injiziert und benetzt dort das vorhandene Gewebe 15. In 3) ist eine entsprechende Fließfront 19 des Duroplasten angedeutet.
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Sowohl in der ersten Werkzeughälfte 17 als auch in der im Wesentlichen die Kavität 14 bildenden zweiten Werkzeughälfte 18 sind Ultraschallsender 9 und Ultraschallempfänger 8 angeordnet, welche sowohl den Fließfrontenverlauf, also den Imprägnierungsgrad, als auch den Aushärtegrad des Duroplasten im Durchschallverfahren messen können.
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Die Messsignale der Ultraschallsender bzw. -empfänger sind qualitativ in den 4a) und 4b) dargestellt. In den genannten Figuren wird als Ausgangssignal der Ultraschallimpuls betrachtet, welcher vom Ultraschallsender ausgesandt wird. Die relative Amplitude wird beim Ausgangssignal mit 100% angenommen.
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4a) zeigt das Empfangssignal, welches ein Ultraschallsender aussendet bzw. ein Ultraschallempfänger diesem Ausführungsbeispiel nach empfängt. 4a) zeigt qualitativ bei der Durchführung des Film-Stacking-Verfahrens oder des RTM-Verfahrens das Ausgangssignal A der Ultraschallsender an. Beim Film-Stacking-Verfahren weist das Empfangssignal E eine kleine Amplitude auf, sofern der thermoplastische Werkstoff die Gewebefasern noch nicht ausreichend imprägniert hat.
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Ein ähnliches Signal ergibt sich beim RTM-Verfahren sofern der Duroplast noch flüssig ist. Haben die Fließfronten des Duroplasten die durchschalte Messregion noch nicht erreicht, ergibt sich gar kein Messsignal. Das Ansteigen des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert, wie dies 4b) zeigt, kann gemessen werden, sofern im RTM-Verfahren der Duroplast ausgehärtet ist bzw. der Thermoplast im Film-Stacking-Verfahren die Fasern vollständig imprägniert hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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