-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, bei dem ein Fasermaterial in einen Faserlegeabschnitt eines Formwerkzeuges eingebracht, der Faserlegeabschnitt und das darin eingearbeitete Fasermaterial mit einer flexiblen Vakuumabdeckung vakuumdicht verschlossen, der vakuumverschlossene Faserlegeabschnitt mit einer Vakuumpumpe evakuiert und anschließend ein Matrixmaterial in das Fasermaterial injiziert und ausgehärtet wird. Die Erfindung betrifft ebenso eine flexible Vakuumabdeckung hierzu.
-
Bei der Herstellung von Formbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen, kurz Faserverbundbauteile, werden in der Regel Faserhalbzeuge in ein Formwerkzeug eingebracht, das die spätere Bauteilgeometrie aufweist. Durch das Anordnen der Fasermaterialien auf der formgebenden Oberfläche des Formwerkzeuges nimmt das Fasermaterial die Form der Oberfläche des Formwerkzeugs an und bildet so die spätere Bauteilgeometrie ab. Anschließend wird das in das Formwerkzeug eingebrachte Fasermaterial mit einem Matrixharz beziehungsweise Matrixmaterial infiltriert, nach Aushärtung beziehungsweise Polymerisation des Matrixmaterials das faserverstärkte Kunststoffbauteil zu erhalten.
-
Hinsichtlich der Art der verwendeten Formwerkzeuge können hierbei zwei wesentliche Herstellungsverfahren unterschieden werden: closed-mould-Verfahren und open-mould-Verfahren. Bei dem klassischen closed-mould-Verfahren wird ein Formwerkzeug verwendet, das aus mehreren formfesten Werkzeughälften besteht, zwischen denen im zusammengesetzten Zustand eine Formkavität gebildet wird, in die das Fasermaterial eingelegt ist. In der Regel wird dabei das Fasermaterial von dem formfesten Werkzeughälften rundum verschlossen, was insbesondere bei Bauteilen Anwendung findet, die rundherum eine vorgegebene Bauteilgeometrie haben müssen.
-
Im Gegensatz hierzu wird bei dem sogenannten open-mould-Verfahren ein Formwerkzeug verwendet, das an zumindest einer Seite keine entsprechende formfeste Werkzeughälfte hat, so dass insbesondere die Kosten für die Herstellung eines derartigen Formwerkzeuges reduziert werden können. Ein derartiges Verfahren wird insbesondere dann verwendet, wenn lediglich nur eine Seite des herzustellenden Bauteils eine vorgegebene Bauteilgeometrie oder Oberflächengüte aufweisen muss (beispielsweise bei der Herstellung von Rotorblatthälften). Die nicht durch das Formwerkzeug abgedeckte Seite der Fasermaterialen wird dann mittels Hilfsstofflagen aufgebaut, so dass sich ein Fasergelegeaufbau ergibt. Derartige Hilfsstoffe können beispielsweise Fließhilfen, Trennfolien, Siegelbänder sowie flexible, nicht formfeste Vakuumabdeckungen sein.
-
Die flexiblen, nicht formfesten Vakuumabdeckungen dienen dazu, dass in dem Faserlegeabschnitt des Formwerkzeuges eingebrachte Fasermaterial gegenüber der Umgebung vakuumdicht zu verschließen, um so das Fasermaterial beziehungsweise den Faserlegeabschnitt des Formwerkzeuges mithilfe einer Vakuumpumpe evakuieren zu können. Durch das Evakuieren des Fasermaterials kann zum einen das Faservolumengehalt erhöht und zum anderen eine vollständige und sichere Infiltration des Fasermaterials mit dem Matrixmaterial sichergestellt werden. Eine solche flexible, nicht formfeste Vakuumabdeckung kann beispielsweise eine Vakuumfolie sein, wie sie häufig bei dem sogenannten openmould-Verfahren verwendet wird. Die flexible, nicht formfeste Vakuumabdeckung kann aber auch eine Vakuummembran beziehungsweise Vakuumhaube aus einem Elastomermaterial sein, die in der Regel wiederverwendbar sind.
-
Aufgrund der Tatsache, dass eine Vielzahl von Faktoren auf die chemische Vernetzungsreaktion des Matrixharzes Einfluss haben, ist die Überwachung des Herstellungsprozesses, insbesondere der Prozess der Aushärtung des Matrixharzes, ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätskontrolle derartiger Formbauteile.
-
Aus der
DE 197 37 276 C2 ist beispielsweise ein Verfahren zur Überwachung der Aushärtung von Duroplasten bekannt, bei dem ein in einem Formwerkzeug befindliche Masse mit Ultraschallwellen beschallt wird, die von einem ersten Ultraschallwandler in die Formmasse ausgesendet und dann ein einen zweiten Ultraschallwandler empfangen und entsprechend ausgewertet werden. Mittels eines Referenzsignals kann dabei die Differenz zwischen ausgesendeten und empfangenen Signalen zur Überwachung des Herstellungsprozesses analysiert werden.
-
Aus der
DE 10 2010 037 849 A1 ist des Weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundbauteilen im Infusionsverfahren bekannt, bei dem während des Infiltrierens und Abdrückens Laufzeiten eines Ultraschallsignals durch die Formkavität gemessen und mit Sollwerten verglichen werden. Hierzu wird auf die äußere Vakuumfolie ein Ultraschallkoppelkörper aufgesetzt, der mit einem Ultraschall-Prüfkopf in Verbindung steht, so dass hierüber Ultraschallsignale in die Formkavität eingeleitet werden können. Durch das Messen von Laufzeiten von Ultraschallsignalen kann dabei der Herstellungsprozess, insbesondere der Infiltrations- und Aushärtungsprozess, qualitätstechnisch überwacht werden.
-
Es hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, die Ultraschall-Prüfköpfe auf der Vakuumfolie anzuordnen, da dies zum einen sehr zeitaufwendig ist und nur über einen entsprechenden Adapter erfolgen kann, wodurch wiederum unvermeidbare Abdrücke auf der Bauteiloberfläche entstehen, die oft unerwünscht sind. Darüber hinaus muss bei einer direkten Durchschallung mittels eines separaten ersten Ultraschallsenders und eines separaten zweiten Ultraschallempfängers die Sensoren exakt angeordnet und ausgerichtet werden, damit das Schallsignal auch sicher empfangen werden kann. Zwar ist die Durchführung eines sogenannten Impuls-Echo-Verfahrens wünschenswert, bei dem der Ultraschallsensor sowohl Sender als auch Empfänger ist. Allerdings führt dies in der Regel zu den oben genannten Problemen und den unerwünschten Abdrücken im Bauteil, so dass hiervon bis jetzt abgesehen wurde.
-
Bei allen bisherigen Verfahren durchlaufen die Ultraschallwellen von der Quelle der Erzeugung ins Formwerkzeug noch einen Vorlauf, an dessen Grenzfläche zum Bauteil unvermeidlich Reflexionen entstehen. Diese Reflexionen werden wiederholt innerhalb des Vorlaufs reflektiert und überlagern das Schallsignal, welches aus dem Bauteil zurück reflektiert wird. Zudem wird durch die Reflexion der Anteil der Schallenergie, die in das Bauteil eingekoppelt wird, reduziert. Die Überlagerungen sind aus praktischen Erfahrungen sehr viel stärker als das Schallsignal aus dem Laminat, so dass keine Laufzeitermittlung möglich ist.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils anzugeben, mit dem während der Herstellung des Faserverbundbauteils die Durchführung eines Ultraschallverfahrens im Impuls-Echo-Verfahren möglich wird.
-
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 erfindungsgemäß gelöst.
-
Demnach wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, bei dem zunächst ein Formwerkzeug mit einer formgebenden Werkzeugoberfläche bereitgestellt wird. Das Formwerkzeug weist einen Faserlegeabschnitt auf, auf dem Fasermaterial auf die formgebende Werkzeugoberfläche abgelegt werden kann, um so zumindest an einer Seite die spätere Bauteilgeometrie abzubilden. Der Faserlegeabschnitt des Formwerkzeuges ist somit zur Aufnahme des Fasermaterials für die Herstellung des Faserverbundbauteils vorgesehen, wobei das Formwerkzeug an zumindest einer Seite offen ausgeführt ist, um so das Faserverbundbauteil im open-mould-Verfahren herstellen zu können. Anschließend wird das Fasermaterial, beispielsweise zugeschnittene Faserhalbzeuge, in den Faserlegeabschnitt des Formwerkzeuges eingebracht und mit einer flexiblen Vakuumabdeckung vakuumdicht verschlossen. Die flexible Vakuumabdeckung ist nicht formfest und kann sich so an die äußere Gestaltungsgeometrie der eingebrachten Fasermaterialien anpassen. Nachdem das Fasermaterial in dem Faserlegeabschitt des Formwerkzeuges vakuumdicht mit der flexiblen Vakuumabdeckung verschlossen wurde, wird das Fasermaterial mithilfe einer Vakuumpumpe evakuiert, so dass ein Vakuum eingestellt wird. Anschließend kann das Matrixmaterial in das Fasermaterial injiziert werden und unter Beaufschlagung von Druck und/oder Temperatur ausgehärtet werden.
-
Um den Herstellungsprozess, insbesondere bei Infiltrieren und Aushärten des Matrixmaterials ständig überwachen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass während des Herstellungsprozesses mittels mindestens eines direkt an, in oder auf der flexiblen Vakuumabdeckung applizierten piezoelektrischen Elementes Schallimpulse zur Durchführung eines Impuls-Echo-Verfahrens erzeugt und detektiert werden.
-
Es wird somit vorgeschlagen, dass direkt in, an oder auf der flexiblen, nicht formfesten Vakuumabdeckung ein piezoelektrisches Element angeordnet wird, das gleichzeitig sowohl Sender als auch Empfänger von Schallimpulsen ist, wobei die Schallimpulse mithilfe des piezoelektrischen Elementes erzeugt und mithilfe des piezoelektrischen Elementes empfangen werden. Das piezoelektrische Element erzeugt und empfängt dabei die Schallimpulse basierend auf dem piezoelektrischen Effekt, beispielsweise derart, dass an ein piezokeramisches Material eine Spannung angelegt wird, um so aufgrund der Formveränderung entsprechende Schallimpulse zu erzeugen. Das Detektieren der Schallimpulse ist dabei entsprechend umgekehrt möglich.
-
Das piezoelektrische Element wird somit direkt mit der flexiblen Vakuumabdeckung verbunden und kann somit bereits beim Verschließen des Faserlegeabschnittes mithilfe der flexiblen Vakuumabdeckung in, an oder auf dieser bereits angeordnet sein. Denkbar ist auch, dass nachträglich an entsprechenden Stellen lediglich das piezoelektrische Element appliziert wird.
-
Der Vorteil hierbei besteht darin, dass aufgrund der Verwendung von piezoelektrischen Elementen eine Integration in die verwendeten Fertigungsmittel möglich ist. Darüber hinaus kann mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne weiteres eine Durchschallung im Impuls-Echo-Verfahren durchgeführt werden, ohne dass hierbei Abdrücke im Bauteil entstehen, so wie sie bei der Verwendung herkömmlicher Ultraschall-Prüfköpfe entstehen. Des Weiteren bedarf es keiner genauen Positionierung wie im Durchschallungsverfahren, so dass die Positionierung der piezoelektrischen Elemente grundsätzlich frei ist. Das Verfahren ist dabei grundsätzlich in bestehende Prozesse nachrüstbar und bietet einen geringen Aufwand. Darüber hinaus ist das Verfahren sehr kostengünstig, da die piezoelektrischen Elemente keine hohen Anschaffungskosten mit sich bringen.
-
Die Erfinder haben dabei erkannt, dass mithilfe von an der flexiblen Vakuumabdeckung applizierter piezoelektrischer Elemente die Durchführung eines Impuls-Echo-Verfahrens während des Herstellungsprozesses des Faserverbundbauteils im open-mould-Verfahren möglich ist, ohne dass hierbei Abdrücke im Bauteil verbleiben und ohne dass aufgrund der Einkopplung der Schallimpulse im Bereich der flexiblen Vakuumabdeckung das Messergebnis verfälscht wird.
-
Durch die Anordnung des piezoelektrischen Elementes direkt an der Vakuumabdeckung treten dabei kaum Überlagerungen auf, so dass die Detektion des Schallsignals deutlich verbessert wurde.
-
Vorteilhafterweise werden die Schallimpulse mittels des piezoelektrischen Elementes in das Fasermaterial ausgesendet und die hierbei reflektierten Schallimpulse empfangen, wobei in Abhängigkeit von den ausgesendeten empfangenen Schallimpulsen der Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils überwacht wird. Dies kann beispielsweise durch eine Laufzeitmessung erfolgen, wobei in Abhängigkeit der gemessenen Laufzeiten gegebenenfalls durch Vergleich mit einer Referenz-Laufzeit, dann der Herstellungsprozess online und in Echtzeit überwacht wird.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht das piezoelektrische Element lediglich aus einem piezoelektrischen Sensor, wie beispielsweise ein piezokeramischer Sensor, wobei der piezoelektrische Sensor zum Erzeugen und Detektieren von Schallimpulsen ausgebildet ist. Besteht das piezoelektrische Element lediglich aus dem piezoelektrischen Sensor, so wird der piezoelektrische Sensor direkt mit der flexiblen Vakuumabdeckung kontaktiert.
-
In einer alternativen Ausführungsform ist auch denkbar, dass das piezoelektrische Element aus einem piezoelektrischen Sensor und einem Kontaktelement besteht, wobei der piezoelektrische Sensor an dem Kontaktelement angeordnet ist. Diese Anordnung bestehend aus piezoelektrischem Sensor und Kontaktelement wird dann direkt an die flexible Vakuumabdeckung angeordnet, wobei vorteilhafterweise das Kontaktelement entweder direkt mit der flexiblen Vakuumabdeckung kontaktiert ist oder das piezoelektrische Element so in oder an der flexiblen Vakuumabdeckung angeordnet ist, dass das Kontaktelement direkt mit dem Fasergelegeaufbau in den Faserlegeabschnitt kontaktiert ist. Mithilfe des Kontaktelementes wird somit der von dem piezoelektrischen Sensor erzeugte Schallimpuls in das Fasermaterial im Faserlegeabschnitt eingekoppelt beziehungsweise über dieses Kontaktelement dann der reflektierte Schallimpuls empfangen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das piezoelektrische Element im Außenbereich direkt auf der Vakuumfolie appliziert oder ist dort angeordnet, wobei die flexible Vakuumabdeckung beim Verschließen des Faserlegeabschnittes den Faserlegeabschnitt von einem Außenbereich trennt. In diesem Außenbereich ist dann das piezoelektrische Element auf der flexiblen Vakuumabdeckung angeordnet.
-
Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn die flexible Vakuumabdeckung eine Vakuumfolie ist, wie sie standardmäßig bei open-mould-Verfahren verwendet wird. Derartige Vakuumfolien sind in der Regel nicht wiederverwendbar.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird der Faserlegeabschnitt des Formwerkzeuges mit einer Vakuummembran oder Vakuumhaube als flexible Vakuumabdeckung vakuumdicht verschlossen, wobei das piezoelektrische Element in der Vakuummembran oder Vakuumhaube derart appliziert ist oder wird, dass es direkt an den Faserlegeabschnitt grenzt.
-
Derartige Vakuummembrane beziehungsweise Vakuumhauben können beispielsweise aus einem Elastomermaterial bestehen oder ein solches Elastomermaterial aufweisen, beispielsweise Silikon, und sind in der Regel wiederverwendbar. In der Regel weisen derartige Vakuummembrane beziehungsweise Vakuumhauben eine größere Solldicke gegenüber den Vakuumfolien auf, so dass es ganz besonders vorteilhaft ist, wenn das piezoelektrische Element in die Vakuumhaube beziehungsweise Vakuummembran so eingebettet ist, beziehungsweise wird, dass das piezoelektrische Element direkt an den Faserlegeabschnitt grenzt, wenn die Vakuummembran beziehungsweise Vakuumhaube den Faserlegeabschnitt vakuumdicht verschließt. Das piezoelektrische Element kontaktiert dann direkt mit zumindest einer Seite den Fasergelegeaufbau innerhalb des Faserlegeabschnittes. In der Regel besitzt die Vakuummembran eine Trennfolie zum Bauteil hin, so dass das piezoelektrische Element die Trennfolie dauerhaft kontaktiert.
-
Darüber hinaus wird die Aufgabe auch mit der flexiblen Vakuumabdeckung gemäß Anspruch 7 gelöst.
-
Demnach ist eine flexible Vakuumabdeckung zum vakuumdichten Verschließen des Faserlegeaufbaus zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen, das erfindungsgemäß so ausgebildet ist, dass direkt an, in oder auf der flexiblen Vakuumabdichtung ein piezoelektrisches Element zum Erzeugen und Detektieren von Schallimpulsen zur Durchführung eines Impuls-Echo-Verfahrens während des Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils angeordnet beziehungsweise appliziert ist.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
-
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Diese zeigen:
-
1 – schematische Darstellung eines Aufbaus mit Vakuumfolie;
-
2 – schematische Darstellung eines Aufbaus mit Vakuummembran.
-
1 zeigt ein Formwerkzeug 1, das eine formgebende Werkzeugoberfläche 2 hat. Auf diese formgebende Werkzeugoberfläche 2 ist ein Fasermaterial 3 aufgelegt, beispielsweise in Form eines mehrschichtigen Faserlaminates. Die formgebende Werkzeugoberfläche 2 definiert hierbei zumindest auf einer Seite die Bauteilgeometrie.
-
Auf der gegenüberliegenden Seite der formgebenden Werkzeugoberfläche 2 wird auf das Fasermaterial 3 eine Vakuumfolie 4 aufgelegt, um so das Fasermaterial 3 vakuumdicht gegenüber der Umgebung zu verschließen. Zwischen der formgebenden Werkzeugoberfläche 2 des Werkzeuges 1 und der Vakuumfolie 4 wird dabei der Faserlegeabschnitt 5 gebildet, in dem das Fasermaterial 3 eingelegt ist.
-
In dem Faserlegeabschnitt 5 können neben dem Fasermaterial noch weitere Hilfsstoffe angeordnet sein, wie beispielsweise Trennfolien, Saugvliese oder Abreißgewebe. Der Einfachheit halber sind diese Elemente nicht dargestellt und ergeben sich aus dem herkömmlichen Aufbau eines open-mould-Verfahrens.
-
Auf die Vakuumfolie 4 ist außerhalb des Faserlegeabschnittes 5 ein piezoelektrisches Element 6 angeordnet, das lediglich aus einem piezoelektrischen Sensor 7 besteht. Der piezoelektrische Sensor 7 ist dabei direkt mit der Vakuumfolie 4 kontaktiert und so ausgebildet, dass er bei Anlegen einer Verspannung Schallimpulse erzeugen kann und Schallimpulse detektieren und in eine elektrische Spannung umwandeln kann. Der piezoelektrische Sensor 7 des piezoelektrischen Elementes 6 ist somit sowohl Sender als auch Empfänger von Schallimpulsen, wobei die empfangenen Schallimpulse mithilfe einer entsprechenden Auswerteeinheit (nicht dargestellt) entsprechend ausgewertet und so der Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils überwacht werden kann.
-
2 zeigt schematisch eine Variante, bei der anstelle einer Vakuumfolie eine Vakuummembran 8 aus einem Elastomermaterial, beispielsweise Silikon, verwendet wird. Der grundsätzliche Aufbau ist ähnlich zu dem der 1. Das piezoelektrische Element 6 weist hierbei einen piezoelektrischen Sensor 7 auf, der an einem Kontaktelement 9 angeordnet ist. Das piezoelektrische Element 6 bestehend aus dem piezoelektrischen Sensor 7 und dem Kontaktelement 9 ist dabei derart in die Vakuummembran 8 eingebettet, dass das Kontaktelement 9 mit einer Seite an den Faserlegeabschnitt 5 und somit das Fasermaterial 3 oder gegebenenfalls an Hilfsstoffe zwischen der Membran 8 und dem Fasermaterial 3 grenzt.
-
Hierdurch wird es möglich, in der Membran entsprechende piezoelektrische Elemente vorzusehen, die in der Membran integriert sind, wobei aufgrund der Tatsache, dass die Membran 8 wiederverwendbar ist, sich eine Zeitersparnis ergibt, da die entsprechenden Sensoren nicht jedes Mal neu platziert werden müssen. Vielmehr verbleiben die Sensoren in der entsprechenden Membran und können so für jede weiteren Schritte wieder verwendet werden.
-
Des Weiteren wird durch die Anordnung erreicht, dass keine Abdrücke im Bereich des piezoelektrischen Elementes 6 auf dem Bauteil verbleiben, da das piezoelektrische Element 6 mit der Seite der Membran 8, die an den Faserlegeabschnitt 5 grenzt, bündig abschließt.
-
Dabei wurde erkannt, dass auch beim Evakuieren des Faserlegeabschnittes 5 keine solchen Abdrücke entstehen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19737276 C2 [0007]
- DE 102010037849 A1 [0008]
