DE102014103219A1 - Determination of a fiber orientation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Faserorientierung eines Faserhalbzeuges zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei in verschiedene Messrichtungen elektrische Widerstände gemessen werden und die Faserorientierung dann in Abhängigkeit der elektrischen Widerstände und deren jeweiligen Messrichtungen ermittelt wird.The invention relates to a method and a device for determining a fiber orientation of a semifinished fiber product for producing a fiber composite component, wherein electrical resistances are measured in different measuring directions and the fiber orientation is then determined as a function of the electrical resistances and their respective measuring directions.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Messvorrichtung zum Ermitteln einer Faserorientierung eines elektrisch leitfähige Fasern aufweisenden Faserhalbzeuges zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. The invention relates to a method and a measuring device for determining a fiber orientation of an electrically conductive fiber-containing semi-finished fiber product for producing a fiber composite component.
Faserverbundwerkstoffe sind Werkstoffe mit richtungsabhängigem Materialeigenschaften und einem hohen Leichtbaupotential. Insbesondere die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) sind aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Steifigkeit für den Luftfahrtbereich sehr attraktiv. Zurzeit wird ein hoher Forschungsaufwand betrieben, um möglichst großflächige strukturelle Flugzeugbauteile, wie beispielsweise Rumpf- oder Tragflächen, aus CFK-Bauteilen automatisiert zu fertigen. Fiber composites are materials with direction-dependent material properties and a high level of lightweight construction potential. In particular, the carbon fiber reinforced plastics (CFRP) are very attractive for the aviation sector due to their high strength and rigidity. At present, a high research effort is being made in order to produce as large as possible structural aircraft components, such as fuselages or wings, from CFRP components automated.
Derartige Bauelemente weisen in der Regel Versteifungsfasern auf, die dem Werkstoff seine Festigkeit und Steifigkeit verleihen. Die die Versteifungsfasern umhüllende Kunststoffmatrix sorgt dabei für die Formstabilität und Kraftübertragung zwischen den Versteifungsfasern. Durch die Ausrichtung der Versteifungsfasern in Kraftrichtung ist es möglich, Bauelemente mit hervorragenden mechanischen Materialeigenschaften in einige wenige Vorzugsrichtungen zu konstruieren, die eine sehr hohe Leichtbaugüte aufweisen. Dies macht Faserverbundwerkstoffe insbesondere für strukturkritische Bauelemente hochinteressant. Such components usually have stiffening fibers, which give the material its strength and rigidity. The plastic matrix surrounding the stiffening fibers ensures dimensional stability and force transmission between the stiffening fibers. By aligning the stiffening fibers in the direction of force, it is possible to design components with excellent mechanical material properties in a few preferred directions, which have a very high lightweight construction. This makes fiber composites particularly interesting for structure-critical components.
So ist beispielsweise aus der
Während des Ablegeprozesses wird so aus den abgelegten Faserhalbzeugen ein Vorkörper auf dem Formwerkzeug aufgebaut, der auch als „Laminat“ bezeichnet wird. Im breitesten Sinne ist somit ein Laminat ebenfalls ein Faserhalbzeug. During the deposition process, a preform is thus built up on the mold, which is also referred to as "laminate" from the stored semi-finished fiber products. In the broadest sense, therefore, a laminate is also a semifinished fiber product.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen sowie auch bei komplexen dreidimensionalen Bauteilformen werden heutzutage Laminate hergestellt, deren Faserrichtung bzw. Faserorientierung geringfügig von den Idealen abweicht, wie sie im Konstruktionsprozess für das Bauteil ermittelt wurden. Insbesondere für komplex gekrümmte, großflächige Laminate ist eine Variation von wenigen Grad üblich und innerhalb der Toleranzgrenzen auch unschädlich. Für die Bewertung der Bauteilqualität und des Fertigungsverfahrens ist die Kenntnis der tatsächlichen Faserorientierung essentiell, um so die Bauteilqualität und Güte frühzeitig bestimmen zu können und gegebenenfalls Ausschussware rechtzeitig erkennen zu können. Due to manufacturing tolerances as well as in complex three-dimensional component shapes laminates are nowadays produced whose fiber orientation or fiber orientation slightly deviates from the ideals, as determined in the design process for the component. Especially for complex curved, large-area laminates, a variation of a few degrees is common and harmless within the tolerance limits. Knowledge of the actual fiber orientation is essential for the evaluation of the component quality and the manufacturing process in order to be able to determine the component quality and quality at an early stage and, if necessary, to be able to recognize rejects in good time.
Hierfür wird in der Praxis häufig eine visuelle Prüfung durchgeführt, bei der der Anwender die Faserorientierung im Laminat mit Hilfe eines Lineals oder mit Hilfe einer vom Laser projizierten Linie überprüft. Allerdings ist das Ergebnis der visuellen Prüfmethode häufig subjektiv und kann somit nicht als qualitativ hochwertige und reproduzierbare Prüfmethode angesehen werden. For this purpose, in practice, a visual inspection is often carried out, in which the user checks the fiber orientation in the laminate with the aid of a ruler or with the aid of a laser-projected line. However, the result of the visual test method is often subjective and thus can not be considered as a high quality and reproducible test method.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Prüfmethode sowie eine entsprechende Messvorrichtung anzugeben, mit der sehr genau, reproduzierbare und ohne menschlichen Einflussfaktor die Faserorientierung innerhalb eines Faserhalbzeuges ermittelbar ist, ohne dass es hierfür komplizierte und große Prüfvorrichtungen bedarf. It is therefore an object of the present invention to provide an improved test method and a corresponding measuring device with which the fiber orientation within a semifinished fiber product can be determined very accurately, reproducibly and without human influence, without the need for complicated and large testing devices.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Prüfverfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Messvorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. The object is achieved with the test method according to claim 1 and the measuring device according to claim 7.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Faserorientierung eines elektrisch leitfähige Fasern aufweisenden Faserhalbzeuges zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, wobei das Faserverbundbauteil beispielsweise ein CFK-Bauteil mit Kohlenstofffasern als elektrisch leitfähige Fasern sein kann. Erfindungsgemäß wird dabei vorgeschlagen, dass der elektrische Widerstand für verschiedene Messrichtungen in Bezug auf die Faserhalbzeugebene des Faserhalbzeuges mittels einer elektrischen Messeinrichtung gemessen wird, wobei sich dann aus den verschiedenen elektrischen Widerständen für die unterschiedlichen verschiedenen Messrichtungen die Faserorientierung ermitteln lässt. Denn für jede Messrichtung werden unterschiedliche elektrische Widerstände ermittelt, wobei in der Regel der elektrische Widerstand dann am geringsten ist, wenn die Messrichtung exakt der Faserorientierung entspricht. Aufgrund der Tatsache, dass in Faserrichtung der elektrische Widerstand minimal ist, während er senkrecht zur Faserrichtung maximal ist, lässt sich so durch Messen der elektrischen Widerstände für verschiedene Messrichtungen in Bezug auf die Faserhalbzeugebene die Faserorientierung ermitteln, indem die für die verschiedenen Messrichtungen gemessenen elektrischen Widerstände analysiert und mit der jeweiligen Messrichtung in Bezug gesetzt werden. According to claim 1, a method for determining a fiber orientation of an electrically conductive fiber-containing semifinished fiber for producing a fiber composite component is proposed, wherein the fiber composite component may be, for example, a CFRP component with carbon fibers as electrically conductive fibers. According to the invention, it is proposed that the electrical resistance for different measuring directions with respect to the fiber semifinished product level of the semi-finished fiber product is measured by means of an electrical measuring device, wherein the fiber orientation can then be determined from the various electrical resistances for the different different measuring directions. Because for each measuring direction different electrical resistances are determined, which is usually the lowest electrical resistance when the measuring direction corresponds exactly to the fiber orientation. Due to the fact that in the fiber direction the electrical resistance is minimal while it is maximum perpendicular to the fiber direction, the fiber orientation can be determined by measuring the electrical resistances for different measuring directions with respect to the fiber semifinished product, by determining the electrical measurements for the different measuring directions Resistors are analyzed and related to the respective measurement direction.
Es lässt sich somit relativ einfach, sicher und vor allem qualitativ reproduzierbar die Faserorientierung eines Faserhalbzeuges, beispielsweise eines abgelegten Laminats, in Bezug auf die Faserhalbzeugebene ermitteln, ohne dass es hierfür einen komplexen und teuren Anlagenaufwand bedarf. Vielmehr haben die Erfinder erkannt, dass durch das Messen verschiedener elektrischer Widerstände für unterschiedliche Messrichtungen auf die Faserorientierung geschlossen werden kann. It is thus relatively simple, safe and above all qualitatively reproducible determine the fiber orientation of a semi-finished fiber, for example, a deposited laminate, with respect to the fiber semi-finished product, without the need for a complex and expensive investment. Rather, the inventors have recognized that it is possible to deduce the fiber orientation by measuring different electrical resistances for different measuring directions.
Das Messen eines elektrischen Widerstandes im Faserhalbzeug erfolgt dabei mit Hilfe zweier elektrischer Kontakte, die auf einer Oberfläche des Faserhalbzeuges kontaktiert werden. Die Ausrichtung der beiden elektrischen Kontakte, die sich ergibt, wenn zwischen den beiden elektrischen Kontakten eine Gerade gezogen wird, wird in Bezug auf die Faserhalbzeugebene definiert, so dass durch die Anordnung der beiden elektrischen Kontakte auf der Faserhalbzeugebene die Messrichtung vorgegeben wird. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den beiden elektrischen Kontakten für jede Messrichtung identisch, um so das Messergebnis nicht zu verfälschen. Die Messrichtung in Bezug auf die Faserhalbzeugebene meint dabei, dass die Messrichtung in Bezug auf das Koordinatensystem der Faserhalbzeugebene definiert und vorgegeben ist, so dass jede Messrichtung in das Koordinatensystem der Faserhalbzeugebene des Faserhalbzeuges umrechenbar ist. The measurement of an electrical resistance in the semifinished fiber product takes place with the aid of two electrical contacts which are contacted on a surface of the semifinished fiber product. The orientation of the two electrical contacts, which results when a straight line is drawn between the two electrical contacts, is defined with respect to the fiber semi-finished product, so that the measuring direction is predetermined by the arrangement of the two electrical contacts on the fiber semi-finished product. Preferably, the distance between the two electrical contacts for each measuring direction is identical, so as not to falsify the measurement result. The measuring direction with respect to the semifinished fiber level means that the measuring direction is defined and predetermined with respect to the coordinate system of the semifinished fiber level, so that each measuring direction can be converted into the coordinate system of the fiber semifinished product of the semifinished fiber product.
Mit der Faserhalbzeugebene im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei die Ebene gemeint, die durch den Verlauf der Fasern des Faserhalbzeuges definiert wird. Die Ebene kann dabei beispielsweise auch eine gekrümmte Fläche darstellen. With the fiber semi-finished product in the context of the present invention, the plane is meant, which is defined by the course of the fibers of the semifinished fiber product. The plane can represent, for example, a curved surface.
Vorteilhafterweise werden für beliebige Messrichtungen in Bezug auf die Faserhalbzeugebene die elektrischen Widerstände aus den gemessenen Widerständen und deren jeweiligen Messrichtungen interpoliert, so dass für beliebige Messrichtungen, für die kein elektrischer Widerstand gemessen wurde, zumindest ein elektrischer Widerstand in Form einer Interpolation vorliegt. Hierdurch lässt sich für beliebige Messrichtungen ein elektrischer Widerstand ermitteln, so dass die Anzahl der Messrichtungen, in denen ein elektrischer Widerstand gemessen wird, reduziert werden kann und so das Ergebnis dennoch hinsichtlich seiner Genauigkeit erhöht werden kann. Advantageously, the electrical resistances from the measured resistances and their respective measurement directions are interpolated for any measurement directions with respect to the fiber semifinished product so that at least one electrical resistance in the form of an interpolation is present for any measurement directions for which no electrical resistance has been measured. As a result, an electrical resistance can be determined for any measuring directions, so that the number of measuring directions in which an electrical resistance is measured can be reduced and the result can nevertheless be increased with regard to its accuracy.
Die Erfinder haben dabei erkannt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die elektrischen Widerstände für beliebige Messrichtungen durch eine Sinusfunktion interpoliert werden. Es hat sich herausgestellt, dass bei Faserhalbzeugen eine Sinusfunktion die elektrischen Widerstände zwischen zwei Messrichtungen besonders gut interpoliert. The inventors have recognized that it is particularly advantageous if the electrical resistances for arbitrary measuring directions are interpolated by a sine function. It has been found that in semi-finished fiber products a sine function interpolates the electrical resistances between two measuring directions particularly well.
Zweckmäßigerweise wird in einer besonderen Ausführungsform die Faserorientierung in Abhängigkeit von der Messrichtung ermittelt, welche den kleinsten elektrischen Widerstand aufweist. Dabei kann es sich um einen gemessenen und/oder interpolierten elektrischen Widerstand handeln, so dass beispielsweise auch die Faserorientierung in Abhängigkeit von der Messrichtung ermittelt wird, deren interpolierter elektrischer Widerstand am kleinsten ist. Appropriately, in a particular embodiment, the fiber orientation is determined as a function of the measuring direction, which has the smallest electrical resistance. It may be a measured and / or interpolated electrical resistance, so that, for example, the fiber orientation is determined as a function of the measuring direction, the interpolated electrical resistance is the smallest.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird des Weiteren eine elektrische Messeinrichtung bereitgestellt, die eine Elektrode, eine Mehrzahl von Gegenelektroden und eine elektrische Widerstandsmesseinheit aufweist. Die Elektrode sowie die verschiedenen Gegenelektroden werden dann jeweils auf einer Oberfläche des Faserhalbzeuges in Bezug auf die Faserhalbzeugebene angeordnet, so dass zwischen der einen Elektrode und den Gegenelektroden jeweils eine entsprechende Messrichtung definiert wird. Es werden somit bei N-Gegenelektroden in Verbindung mit der einen zentralen Elektrode genau N-Messrichtungen durch das Anordnen der Elektrode und Gegenelektroden auf dem Faserhalbzeug definiert. Bevorzugterweise werden die Gegenelektroden kreisförmig um die eine zentrale Elektrode angeordnet, wobei der Winkel zwischen den einzelnen Messrichtungen ausgehend von der zentralen Elektrode, zwischen den jeweiligen Gegenelektroden immer gleich sein sollte und darüber hinaus der Abstand der einen zentralen Elektrode zu der jeweiligen Gegenelektrode ebenfalls identisch sein sollte, um das Messergebnis nicht großflächig zu verfälschen. In an advantageous embodiment, an electrical measuring device is further provided which has an electrode, a plurality of counter-electrodes and an electrical resistance measuring unit. The electrode and the various counterelectrodes are then each arranged on a surface of the semifinished fiber product with respect to the semifinished fiber level, so that in each case a corresponding measuring direction is defined between the one electrode and the counterelectrodes. Thus, with N counterelectrodes in conjunction with the one central electrode, precisely N measurement directions are defined by arranging the electrode and counterelectrodes on the semi-finished fiber product. Preferably, the counterelectrodes are arranged in a circle around the one central electrode, wherein the angle between the individual measuring directions starting from the central electrode should always be the same between the respective counterelectrodes and furthermore the distance between the one central electrode and the respective counterelectrode should also be identical in order not to falsify the measurement result over a large area.
Anschließend wird der elektrische Widerstand mittels der elektrischen Widerstandsmesseinheit zwischen der einen zentralen Elektrode und der entsprechenden Gegenelektrode der jeweiligen Messrichtung gemessen, so dass sich für die verschiedenen Gegenelektroden, welche die entsprechende Messrichtung definieren, zumindest ein gemessener elektrischer Widerstand ermitteln lässt. Subsequently, the electrical resistance is measured by means of the electrical resistance measuring unit between the one central electrode and the corresponding counterelectrode of the respective measuring direction, so that at least one measured electrical resistance can be determined for the various counterelectrodes which define the corresponding measuring direction.
Die Elektrode sowie die verschiedenen Gegenelektroden sind dabei durch ein lokales Koordinatensystem mit dem Ursprung in der zentralen Elektrode gekennzeichnet, wobei die Position einer jeden Gegenelektrode über einen Winkel definierbar ist. Hierdurch entsteht eine mathematisch eindeutige Beziehung zwischen dem lokalen Koordinatensystem der Elektroden und Gegenelektroden und dem globalen Koordinatensystem des Faserhalbzeuges, welches den Bezug zu der Faserhalbzeugebene darstellt. Wurden nun die elektrischen Widerstände gemessen bzw. interpoliert, so wird die Messrichtung mit dem kleinsten elektrischen Widerstand ermittelt und die diesem elektrischen Widerstand zugeordnete Messrichtung von dem lokalen Koordinatensystem der Elektroden/Gegenelektroden in das globale Koordinatensystem der Faserhalbzeugebene umgerechnet. Hieraus lässt sich dann eindeutig die Faserorientierung in Bezug auf die Faserhalbzeugebene des Faserhalbzeuges bestimmen. The electrode and the various counterelectrodes are characterized by a local coordinate system with the origin in the central electrode, wherein the position of each counter electrode is definable by an angle. This results in a mathematically unique relationship between the local coordinate system of the electrodes and counterelectrodes and the global coordinate system of the semifinished fiber product, which represents the reference to the fiber semifinished product. If the electrical resistances have now been measured or interpolated, the measuring direction is determined with the smallest electrical resistance and the measuring direction associated with this electrical resistance is converted from the local coordinate system of the electrodes / counterelectrodes into the global coordinate system of the semifinished fiber plane. From this it is then possible to clearly determine the fiber orientation with respect to the semifinished fiber level of the semifinished fiber product.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch erfindungsgemäß mit einer Messvorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst, die eine elektrische Messeinrichtung sowie eine rechnergestützte Auswerteeinheit aufweist. Die elektrische Messeinrichtung weist eine Elektrode sowie verschiedene Gegenelektroden auf, die entsprechend der Messrichtungen angeordnet sind. Mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsmesseinheit lässt sich dann der elektrische Widerstand zwischen der einen zentralen Elektrode und einer ausgewählten Gegenelektrode messen. Die Elektrode sowie die Mehrzahl von Gegenelektroden sind dabei so ausgebildet, dass sie mit einer Oberfläche des Faserhalbzeuges elektrisch kontaktiert werden können, um so die elektrischen Widerstände messen zu können. Mit Hilfe der Auswerteeinheit lässt sich dann die Faserorientierung anhand der elektrischen Widerstände ermitteln, so wie es vorhergehend bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurde. The object is also solved according to the invention with a measuring device according to claim 7, which has an electrical measuring device and a computer-aided evaluation. The electrical measuring device has an electrode and various counterelectrodes, which are arranged according to the measuring directions. With the help of an electrical resistance measuring unit can then measure the electrical resistance between the one central electrode and a selected counter electrode. The electrode and the plurality of counterelectrodes are designed such that they can be electrically contacted with a surface of the semifinished fiber product so as to be able to measure the electrical resistances. With the aid of the evaluation unit, the fiber orientation can then be determined on the basis of the electrical resistances, as described previously in the method according to the invention.
Hierfür kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Auswerteeinheit vorgegeben wird, wie die Elektrode und die Gegenelektrode in Bezug auf die Faserhalbzeugebene auf der Oberfläche des Faserhalbzeuges angeordnet werden, so dass eine entsprechende Umrechnung von dem lokalen Koordinatensystem der Messeinrichtung in das globale Koordinatensystem des Faserhalbzeuges automatisiert möglich ist. For this purpose, it can be provided, for example, that the evaluation unit is predetermined as to how the electrode and the counterelectrode are arranged on the surface of the semi-finished fiber product with respect to the semifinished fiber plane, so that a corresponding conversion from the local coordinate system of the measuring device into the global coordinate system of the semifinished fiber product is possible in an automated manner is.
Vorteilhafterweise sind die Gegenelektroden gleichmäßig und kreisförmig um die zentrale Elektrode angeordnet. Advantageously, the counterelectrodes are arranged uniformly and in a circle around the central electrode.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur beispielhaft näher erläutert. The invention will be described by way of example with reference to the accompanying figure.
Es zeigt. It shows.
Die Elektrode E und die Gegenelektroden G1 bis G8 sind mit einer elektrischen Widerstandsmesseinrichtung
Hierfür ist die Auswerteeinheit
- – zunächst wird für jede Messrichtung R1 bis R8 jeweils ein elektrischer Widerstand ermittelt;
- – durch Interpolation werden für beliebige Messrichtungen die elektrischen Widerstände aus den gemessenen elektrischen Widerständen ermittelt;
- – die Messrichtung mit dem kleinsten elektrischen Widerstand stellt dabei die Faserorientierung dar;
- – Umrechnen der Messrichtung der Messeinrichtung
2 in das globale Koordinatensystem des Faserhalbzeuges5 zur Ermittlung der Faserorientierung derFasern 6 .
- - First, an electrical resistance is determined for each measuring direction R 1 to R 8 ;
- - By interpolation, the electrical resistances from the measured electrical resistances are determined for any measurement directions;
- - The measuring direction with the smallest electrical resistance represents the fiber orientation;
- - Conversion of the measuring direction of the measuring
device 2 in the global coordinate system of thesemifinished fiber product 5 for determining the fiber orientation of thefibers 6 ,
Im schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel der
Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Gegenelektroden nicht im 360°G Winkel um die Elektrode E angeordnet sind, sondern nur im Bereich von 180°G, was als ausreichend angesehen wird. Dabei wurde erkannt, dass mit Hilfe dieser Messvorrichtung und dem entwickelten Prüfverfahren reproduzierbar und eindeutige Messwerte geliefert werden können, bei jedoch sehr geringer Anlagenkomplexität und erhöhter Messgeschwindigkeit. In principle, it is conceivable that the counterelectrodes are not arranged in the 360 ° G angle around the electrode E, but only in the range of 180 ° G, which is considered sufficient. It was recognized that with the help of this measuring device and the developed test method reproducible and unambiguous measured values can be delivered, but with very low system complexity and increased measuring speed.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Messvorrichtung measuring device
- 2 2
- Messeinrichtung measuring device
- 3 3
- elektrische Widerstandsmesseinheit electrical resistance measuring unit
- 4 4
- Auswerteeinheit evaluation
- 5 5
- Faserhalbzeug Semi-finished fiber
- 6 6
- Fasern fibers
- E e
- Elektrode electrode
- G1 bis G8 G 1 to G 8
- Gegenelektrode counter electrode
- R1 bis R8 R 1 to R 8
- Messrichtung measuring direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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