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Die Erfindung betrifft eine Faserverbund-Fertigungsanlage zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils in einem Autoklaven sowie ein Verfahren zur Steuerung der Temperierung eines solchen Autoklaven-Fertigungsprozesses zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.
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Aufgrund der besonders vorteilhaften Eigenschaften, bei einem sehr geringen Gewicht eine hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Steifigkeit aufzuweisen, werden Faserverbund-Bauteile, die aus einem oder mehreren Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden, mittlerweile in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Luft- und Raumfahrt sind derartige Werkstoffe nicht mehr wegzudenken, da sie insbesondere im Hinblick auf den Leichtbau optimale Anpassungen bieten.
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So werden heutzutage nicht selten bereits strukturkritische Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt und eingesetzt, wie beispielsweise Flügel oder Rumpfschalen von Flugzeugen. Aber auch im Automobilbereich werden vermehrt Faserverbund-Bauteile eingesetzt, da die entstehenden Gewichtseinsparungen meist proportional zu einem geringen Kraftstoffverbrauch führen. Gerade im Automobilbereich und in der Luftfahrt gibt es dabei die Bestrebung, Faserverbund-Bauteile in der Serienproduktion qualitätssicher herstellen zu können.
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Eine wichtige Rolle in Bezug auf die Bauteilqualität spielt dabei vor allem die homogene Temperaturverteilung entlang der gesamten Bauteiloberfläche während des Aushärtungsprozesses im Autoklaven. Hierbei wird das Matrixmaterial, welches ein Fasermaterial durchtränkt, durch Temperierung, insbesondere durch Beaufschlagung von hohen Temperaturen, sowie ggf. durch Beaufschlagung von Druck ausgehärtet, so dass sich ein integrales Bauteil bildet. Die Aufheizung des Faserverbundbauteils im Ofen bzw. im Autoklaven erfolgt primär durch eine erzwungene Wärmekonvektion, wobei das durch die Ventilatoren angesaugte Fluid in den nachgeschalteten elektrischen Heizregistern erwärmt und in Richtung des Beladungsraums transportiert wird, wo es das Werkzeug und Bauteil umströmt und die mitgeführte thermische Energie an das Werkzeug und das Bauteil abgibt. Je länger das Bauteil ist, desto weniger thermische Energie wird von dem Fluid an das Werkzeug und das Bauteil abgegeben.
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Kann bei der Temperierung des in den Autoklaven eingebrachten Faserverbund-Bauteils eine homogene Temperaturverteilung in dem Bauteil und ggf. in dem Werkzeug innerhalb eines gewissen Toleranzrahmens nicht sichergestellt werden, so führt dies zu unterschiedlichen Aushärtungsstufen innerhalb desselben Bauteils zur selben Zeit (inhomogene Aushärtung des Bauteils), wodurch Eigenspannungen innerhalb des Bauteils entstehen, die dazu führen, dass die mechanischen Eigenschaften des Bauteils gemindert werden.
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In der Praxis werden daher häufig mehrere Temperatursensoren an der Bauteiloberfläche und ggf. auch an dem Werkzeug appliziert, um an einigen ausgesuchten lokalen Stellen des Bauteils die Temperatur zu erfassen. Diese so erfassten lokalen Temperaturen der Bauteiloberfläche werden dann in die Temperatursteuerung des Autoklaven eingespeist, um so das vorgegebene Temperaturprofil über die Fluidtemperatur zu regeln.
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Wird die Phase erreicht, in der die Temperatur über einen längeren Zeitraum konstant gehalten werden soll, so wird meist die kälteste und heißeste Stelle am Werkzeug und/oder Bauteil mit Hilfe der lokal applizierten Temperatursensoren erfasst, wobei die kälteste Stelle über der Sollwerttemperatur liegen muss und der Unterschied zwischen dem kältesten und dem heißesten Punkt innerhalb einer Toleranz, beispielsweise von 10 K oder mehr liegen muss.
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Durch das lokale Applizieren einiger weniger Temperatursensoren direkt auf der Bauteiloberfläche entsteht jedoch der Nachteil, dass immer nur ein lokales Minimum und ein lokales Maximum der Bauteiloberfläche ermittelbar ist. Befindet sich jedoch die heißeste oder kälteste Stelle in einem Bereich, der von den lokal applizierten Temperatursensoren nicht abgedeckt wird, so kann dies bei der Temperierung durch die Autoklavsteuerung nicht berücksichtigt werden. Im Ergebnis kann es dennoch zu einer so starken inhomogenen Temperaturverteilung innerhalb des Bauteils kommen, die zu einem qualitätsmindernden Bauteil führt. Wird dies in der Endkontrolle bei der Fertigung nicht bemerkt, so entstehen insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen große Risiken.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserten Faserverbund-Fertigungsanlage anzugeben, mit der eine homogene Temperaturverteilung zur Temperierung von Faserverbundα Bauteilen während der Aushärtung des Faserverbundbauteils, beispielsweise im Autoklaven, erreicht werden kann.
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Die Aufgabe wird mit der Faserverbund-Fertigungsanlage gemäß Anspruch 1 sowie mit dem Verfahren gemäß Anspruch 7 erfindungsgemäß gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Faserverbund-Fertigungsanlage vorgeschlagen, die zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils vorgesehen ist. Die Faserverbund-Fertigungsanlage weist dabei eine Temperiereinrichtung mit einer Temperierkammer zum Temperieren des in die Temperierkammer eingebrachten Faserverbund-Bauteils zur Aushärtung des Faserverbund-Bauteils auf. Eine solche Temperiereinrichtung mit einer Temperierkammer kann beispielsweise ein Autoklav mit einer Heizeinrichtung sein.
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Erfindungsgemäß wird des Weiteren vorgeschlagen, dass eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Oberflächentemperatur einer Bauteiloberfläche des in die Temperierkammer eingebrachten Faserverbund-Bauteils während der Temperierung zur Aushärtung des Faserverbund-Bauteils vorgesehen ist, wobei die Temperaturerfassungseinrichtung ein Sensorsystem mit mindestens einem optischen Temperatursensor hat. Der mindestens eine optische Temperatursensor ist dabei zum berührungslosen Erfassen der Oberflächenstruktur der Bauteiloberfläche während der Temperierung eingerichtet und kann beispielsweise in der Temperierkammer selbst angeordnet sein. Das Sensorsystem ist dabei signaltechnisch mit einer Temperatursteuereinheit der Faserverbund-Fertigungsanlage in Verbindung gestellt, wobei die Temperatursteuereinheit zur Steuerung der Temperierung in Abhängigkeit von der erfassten Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche eingerichtet ist.
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Durch das berührungslose Erfassen der Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche wird zum einen erreicht, dass auf das zeitaufwendige und lokal begrenzte Applizieren von Temperatursensoren direkt auf der Bauteiloberfläche verzichtet werden kann, wodurch der Fertigungsprozess an sich beschleunigt werden kann. Darüber hinaus wurde überraschenderweise festgestellt, dass sich durch das berührungslose Erfassen der Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche ein vollständiger Temperaturverlauf der Bauteiloberfläche erfassen lässt. Hierdurch lässt sich an jeder beliebigen Position auf der Bauteiloberfläche eine Temperatur erfassen, so dass die vollständige Oberflächenstruktur der gesamten Bauteiloberfläche ermittelbar ist.
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Im Gegensatz zu den aus der Praxis bekannten Verfahren, bei denen lokale Temperatursensoren auf der Oberfläche appliziert werden, lassen sich nunmehr nicht nur lokale Temperaturen der Oberflächentemperatur ermitteln, sondern die tatsächlich gesamte Oberflächentemperatur, wodurch globale Minimumtemperaturen und globale Maximumtemperaturen ermittelt werden können. Dies minimiert die Gefahr der inhomogenen Temperaturverteilung und führt somit zu einem qualitätssicheren Fertigungsprozess, da das Risiko von Fehlbauteilen minimiert wird.
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Unter einer Bauteiloberfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein Teil der Oberfläche des Faserverbund-Bauteils verstanden, das mit Hilfe der Temperaturerfassungseinrichtung überwacht werden soll. Vorteilhafterweise ist dies diejenige Oberfläche, die der Oberfläche des Faserverbundbauteils gegenüberliegt, mit der das Faserverbundbauteil auf dem Werkzeug aufliegt.
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Unter der Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche werden globale Temperaturinformationen hinsichtlich der Bauteiloberfläche verstanden. So kann die Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche beispielsweise der heißeste Punkt und der kälteste Punkt der gesamten Bauteiloberfläche des Faserverbundbauteils darstellen. Denkbar ist aber auch, dass die Oberflächentemperatur eine Art Temperaturlandschaft beziehungsweise Temperaturpanorama darstellt, mit der vollständig die Temperatur der Bauteiloberfläche an jeder beliebigen Position auf der Bauteiloberfläche abgeleitet werden kann.
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Zweckmäßiger Weise ist der mindestens eine optische Temperatursensor eine Thermografiekamera zum Aufnehmen von thermografischen Bilddaten und zum Erfassen der Oberflächentemperatur in Abhängigkeit von den thermografischen Bilddaten eingerichtet ist. Eine derartige Thermografiekamera nimmt die von einem Bauteil abgestrahlte Wärmeenergie auf und stellt sie in Form von thermografischen Bilddaten, bei denen verschiedene Farben unterschiedlichen Temperaturen zugeordnet sind, visuell dar. Aus derartigen thermografischen Bilddaten lassen sich nun entsprechende Temperaturinformationen der Bauteiloberfläche ableiten.
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Die thermografischen Bilddaten erzeugen somit eine vollständige Temperaturlandschaft bzw. ein Temperaturpanorama der erfassten Bauteiloberfläche, woraus sich Temperaturinformationen hinsichtlich der heißesten Position und der kältesten Position auf der Bauteiloberfläche ableiten lassen.
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Hierneben sind selbstverständlich auch andere optische Temperatursensoren, die zum berührungslosen Erfassen von Oberflächentemperaturen eingerichtet sind, denkbar.
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Insbesondere mit Blick auf die Thermografiekamera als eine Form der optischen Temperatursensoren hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der oder die optischen Temperatursensoren in der Temperierkammer angeordnet sind. Hierfür ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn der oder die optischen Temperatursensoren in einem Fluid gekühlten Druckbehälter angeordnet werden, um so die Funktionsfähigkeit des jeweiligen optischen Temperatursensors gewährleisten zu können. Denn innerhalb der Temperierkammer herrschen nicht selten Temperaturen von mehr als 150°C, wobei bei der Verwendung eines Autoklaven zusätzlich noch Druckbeaufschlagungen der Temperierkammer zu berücksichtigen sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform hat die Temperaturerfassungseinrichtung eine Bewegungsvorrichtung mit der der mindestens eine optische Temperatursensor in der Temperierkammer entlang des Faserverbund-Bauteils bewegt werden kann. Der optische Temperatursensor ist dabei derart ausgebildet, dass er Teilflächentemperaturen jeweils eines Teils der Bauteiloberfläche während der Bewegung entlang des Faserverbundbauteils erfasst und die Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche in Abhängigkeit von den erfassten Teilflächentemperaturen ermittelt.
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Hierdurch wird es möglich, mit beispielsweise einer geringen Anzahl von optischen Temperatursensoren, beispielsweise einem einzigen optischen Temperatursensor, die Oberflächentemperatur auch großer Bauteile zu erfassen, ohne auf eine entsprechende Genauigkeit verzichten zu müssen. Die gesamte Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche wird dann aus den einzigen Teilflächentemperaturen der jeweiligen Teile der Bauteiloberfläche, die während der Bewegung des optischen Temperatursensors erfasst wurden, zusammengesetzt, beispielsweise zu einer gesamten Temperaturlandschaft oder Temperaturpanorama.
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Somit lassen sich auch Temperaturinformationen globaler Art bei sehr großen Bauteilen, beispielsweise Flügelschalen von Flugzeugen, ermitteln.
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Durch das Erfassen von globalen Heißstellen und globalen Kaltstellen auch bei sehr großen Bauteilen ist es möglich, diese Temperaturinformationen dem gesamten Autoklavprozess zur Verfügung zu stellen, um so einer inhomogenen Temperaturverteilung entgegen zu wirken.
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In einer weiteren ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform, die alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend genannten gesehen werden kann, weist die Temperiereinrichtung eine Mehrzahl von Temperierelementen auf, die jeweils unterschiedlichen Teilbereichen des Faserverbund-Bauteils zugeordnet sind. Die einzelnen Temperierelemente sind dabei zum separaten Temperieren der ihnen jeweils zugeordneten Teilbereiche des Faserverbundbauelementes eingerichtet, so dass unterschiedliche Teilbereiche des Faserverbund-Bauteils separat, das heißt unabhängig von den anderen Teilbereichen, einzeln temperiert werden kann. Die Temperatur-Steuereinheit ist nun derart eingerichtet, dass sie Temperierung der einzelnen Temperierelemente in Abhängigkeit von der erfassten Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche steuert, so dass einer inhomogenen Temperaturverteilung innerhalb des Faserverbund-Bauteils lokal entgegengewirkt werden kann.
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So ist es beispielsweise denkbar, dass die Temperierelemente zusätzlich zu einer Haupt-Temperiervorrichtung vorgesehen sind, bei der es sich beispielsweise um die Temperierung und Zirkulation eines temperierten Fluides handeln kann. Zusätzlich hierzu können mehrere Temperierelemente, beispielsweise Heizschleifen innerhalb des Werkzeuges oder Temperierungsgebläse gerichtet auf einzelne Teilbereiche des Bauteils, vorgesehen sein, die dann lokal eine Temperierung zusätzlich vornehmen können. Hiermit können Temperaturschwankungen innerhalb des gesamten Bauteils abgemildert und ggf. ganz vermieden werden.
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Um die einzelnen Temperierelemente, gleichgültig ob zusätzlich oder alleinstehend, entsprechend zur Vermeidung von Temperaturinhomogenitäten ansteuern zu können, ist die vollständige Erfassung der Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche wichtig, um global Temperaturschwankungen auf der Bauteiloberfläche erfassen zu können.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren gemäß Anspruch 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 – Prinzipdarstellung der vorliegenden Erfindung;
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2 – schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlagen;
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3 – schematische Darstellung eines segmentiert beheizbaren Werkzeuges;
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4 – schematische Darstellung einer erweiterten Anlage.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung das Prinzip der vorliegenden Erfindung. Ein Faserverbund-Bauteil 1, das in einem nicht dargestellten Autoklaven unter Beaufschlagung von Temperaturen ausgehärtet werden soll, besitzt an den sechs Temperaturmesspunkten T1 bis T6 jeweils unterschiedliche Temperaturen. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren befinden sich an den Positionen T1 bis T6 jeweils ein lokaler Temperatursensor, der die Temperatur in diesem Bereich erfasst. Im Beispiel der 1 ist an der Position T1 ein lokaler Hotspot, da dies die heißeste Stelle lokal betrachtet darstellt, während die Position T6 die kälteste Stelle (cold spot) markiert.
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Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung lässt sich nun global auf die gesamte Bauteiloberfläche des Faserverbund-Bauteils 2 die heißeste und die kälteste Stelle erfassen. Im Beispiel der 1 befindet sich dieser an der Stelle THot, die von der lokalen heißesten Stelle T1 abweicht, während die kälteste Stelle an der Position Tcold ermittelt wurde. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun die Temperatur THot und TCold in die Autoklavregelung eingespeist, um so die Temperierung entsprechend zu steuern. Als Basis dient nunmehr der tatsächliche globale heißeste Punkt und der globale kälteste Punkt und nicht die lokal begrenzten Temperaturen T1 und T6. Hierdurch lässt sich eine Temperierung hinsichtlich einer homogenen Temperaturverteilung qualitätssicherer steuern.
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2 zeigt schematisch eine Faserverbund-Fertigungsanlage 10, die eine Temperierkammer 11 aufweist. Die Temperierkammer kann beispielsweise ein Autoklav sein. Am hinteren Ende der Temperierkammer 11 befinden sich Heizelemente 12, mit denen ein in der Temperierkammer 11 zirkulierendes Fluid auf eine gewünschte Temperatur erwärmt werden kann.
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In der Temperierkammer 11 ist auf einem Werkzeug 13 das herzustellende Faserverbundbauteil 1 angeordnet. Das Faserverbund-Bauteil liegt dabei mit einer seiner Bauteiloberfläche an dem Werkzeug 13 an, während die gegenüberliegende Oberfläche 2 des Faserverbund-Bauteils 1 in Richtung Temperierkammer 11 zeigt.
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In der Temperierkammer 11 ist eine Temperaturerfassungseinrichtung 14 vorgesehen, die einen optischen Sensor 15 aufweist. Der optische Sensor 15 ist dabei als Thermographiekamera ausgebildet und an einer Bewegungsvorrichtung 16, die als Linearantrieb ausgebildet sein kann, beweglich geführt. Während der Erfassung der Oberflächentemperatur an der Bauteiloberfläche 2 werden dabei jeweils Teilflächentemperaturen erfasst, die bei der Bewegung des Temperatursensors 15 durch die Bewegungsvorrichtung 16 erfasst wurden. Der optische Temperatursensor 15 ist dabei zum berührungslosen Erfassen der Oberflächentemperatur ausgebildet.
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Aus diesen einzelnen Teilflächentemperaturen lässt sich nun die vollständige Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche 2 des Faserverbund-Bauteils 1 ermitteln, so dass sich beispielsweise Temperaturinformationen wie die globale heißeste und kälteste Stelle (siehe 1) ermitteln lassen. Dabei müssen keinerlei Temperatursensoren auf das Bauteil selbst appliziert werden, wobei sich mit der erfindungsgemäßen Anlagen auch sehr große Faserverbund-Bauteile hinsichtlich ihrer Oberflächentemperatur erfassen lassen.
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Die von dem optischen Temperatursensor 15 erfasste Oberflächentemperatur wird nun in eine Temperatursteuereinheit 17 eingespeist, welche dann die entsprechende Temperatursteuerung vornimmt. Hierzu ist die Temperatursteuereinheit 17 mit den Heizelementen bzw. Heizregistern 12 der Temperierkammer 11 verbunden und kann nun in Abhängigkeit der ermittelten Oberflächentemperatur die Heizelemente 12 entsprechend ansteuern.
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3 zeigt schematisch die Darstellung eines segmentiert beheizbaren Werkzeuges. Das Werkzeug 13 ist dabei in vier Heizbereiche H1 bis H4 eingeteilt. In jedem Heizbereich H1 bis H4 befinden sich separat ansteuerbare Heizelemente 20a bis 20d, so dass beispielsweise zusätzlich zu dem Heizelemente 12 der Faserverbund-Fertigungsanlage 10 (2) zusätzliche thermische Energie in das System eingeführt werden kann, um inhomogene Temperaturverteilung entgegen zu wirken. Hierfür ist jedes der Heizelemente 20a bis 20d mit der Temperatursteuereinheit 17 verbunden.
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4 zeigt schematisch die Darstellung der erweiterten Anlage 10 bezüglich der zusätzlichen Heizelemente 20a bis 20d. Die Temperatursteuereinheit 17 ist hierbei mit jedem der Heizelemente 20a bis 20d verbunden, so dass durch gezielte Ansteuerung der zusätzlichen Heizelemente 20a bis 20d in Abhängigkeit der erfassten Oberflächentemperatur der Bauteiloberfläche 2 eine gezielte Ansteuerung vorgenommen werden kann, um mit Hilfe von zusätzlicher thermischer Energie eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen.
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Dies bedeutet beispielsweise mit Blick auf die 1, dass in den Heizbereichen H1 und H2 keine zusätzliche thermische Energie notwendig ist, während in den Heizbereichen H3 und H4 zusätzliche thermische Energie mit Hilfe der Heizelemente 20c und 20d dem System zugeführt werden kann, um die starke Temperaturverteilung zwischen dem Heizbereich H1 und dem Heizbereich H4 entgegen zu wirken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserverbund-Bauteil
- 2
- Bauteiloberfläche
- 10
- Faserverbund-Fertigungsanlage
- 11
- Temperierkammer
- 12
- Heizregister
- 13
- Werkzeug
- 14
- Temperaturerfassungseinrichtung
- 15
- optischer Temperatursensor
- 16
- Bewegungsvorrichtung
- 17
- Temperatursteuereinheit
- 20a bis 20d
- zusätzliche Heizelemente
- H1 bis H4
- separate Heizbereiche
- THot
- globale heißeste Stelle
- TCold
- globale kälteste Stelle
