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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft ein Simulationsverfahren zum Bestimmen der Ausbreitung von Harz in einem RTM-Werkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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II. Technischer Hintergrund
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Faserverstärkte Kunststoffe besitzen eine hohe Stabilität bei geringem Gewicht und werden deshalb – speziell in Form von kohlefaserverstärkten Kunststoffteilen (CFK) – zunehmend im Fahrzeugbau und auch im Serien-Fahrzeugbau eingesetzt.
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Dabei werden auf das spätere Bauteil hin bereits geformte und gegebenenfalls zugeschnittene, auch aus mehreren Einzelteilen bestehende, Fasergelege aus z.B. Kohlenstofffasern – also Gewebe, gewobene oder nicht gewobene Matten, einzelne Stränge, so genannte Rovings, oder eine Kombination aus diesen Teilen – in eine sogenannte RTM-Form eingelegt, die wie eine Spritzgussform geschlossen werden kann, und in die anschließend unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur das flüssige oder pastöse Harz-Härtergemisch eingepresst wird, welches alle Formhohlräume ausfüllen soll und die Fasern vollständig einschließen soll, um im ausgehärteten Zustand ein optimal formstabiles Werkstück zu ergeben.
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Da es sich bei den faserverstärkten Werkstücken häufig um dreidimensional geformte Teile handelt, werden auch die Fasergelege häufig vorgeformt, indem sie z.B. in einer Vorform dreidimensional verformt und mittels eines Binders soweit verfestigt werden, dass sie im dreidimensional vorgeformten Zustand in das RTM-Werkzeug eingelegt werden können.
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Für die Qualität der fertigen Kunststoffteile ist es von essentieller Bedeutung, dass keine nicht mit Harz und Härter gefüllten Hohlräume, sogenannte Trockenstellen oder Poren, verbleiben.
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Für die Erzielung kurzer Taktzeiten ist es darüber hinaus wichtig, dass das Harz-Härter-Gemisch in möglichst kurzer Zeit alle Formhohlräume vollständig ausfüllt. Dabei muss der Einspritzdruck umso höher gewählt werden, je kürzer die Füllzeit werden soll. Dieser Einspritzdruck ist anlagenseitig nach oben begrenzt.
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Gleichzeitig soll auch – ohne die Stabilität des späteren Werkstückes negativ zu beeinflussen – der Verbrauch an Harz und Härter minimiert werden, also die verbleibenden Hohlräume in der Form um das Fasergewebe herum minimiert werden, was durch entsprechende Detailformung des Werkzeug-Hohlraumes oder auch Veränderung des Abstands der beiden Formhälften erreicht werden kann. Beim Vergrößern des Abstandes zwischen den beiden Formhälften wird das Fasergelege zunächst bis zu einem gewissen Abstand aufbauschen, also den größeren Innenraum nach wie vor vollständig ausfüllen und sich dadurch lediglich der Faser-Volumen-Gehalt in dem vergrößerten Innenraum verändern.
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Um eine Optimierung sowohl des Einspritzvorganges als auch des Faser-Geleges als auch des Form-Hohlraumes und dessen Entlüftungsöffnungen mit möglichst geringem Versuchs- und Hardware-Aufwand erreichen zu können, werden auf Computer-Berechnungen basierte EDV-Simulationen durchgeführt.
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Mit die wichtigste Eingangs-Größe für diese EDV-Simulationen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Harz-Härter-Gemisches in der Form bei dem spezifischen Werkstück. Diese hängt stark von dem für dieses Bauteil spezifisch verwendeten Faser-Gelege ab, und zwar nicht nur von dessen dreidimensionaler Gestaltung, sondern z.B. auch von den in dem Gelege vorhandenen Faserrichtungen, denn die Ausbreitungssgeschwindigkeit wird stark von dem Faserverlauf geprägt:
In der Haupt-Faserrichtung, in der also die meisten Fasern verlaufen, wird die Fortschrittsgeschwindigkeit des Harz-Härter-Gemisches oft größer sein als quer hierzu.
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Allerdings kann bei einem Gewebe mit im Winkel zueinander verlaufenden Fasern die größte Ausbreitungs-Geschwindigkeit auch in einer Zwischen-Richtung dazu auftreten.
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Da in einem Gelege in der Regel mehrere, meist zwei oder mehr, Faserrichtungen vorkommen, ergeben sich in unterschiedliche Richtungen vom Einspritzpunkt in die Form betrachtet unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Gemisches.
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Es ist bereits bekannt, entweder mit Hilfe des Original-Harzes oder mit einer Simulationsflüssigkeit (z. B. Öl), die die gleiche oder zumindest eine ähnliche Viskosität wie das spätere Harz-Härter-Gemisch besitzt, eine Hardware-gestützte Simulation des Gemischfortschritts in den einzelnen Richtungen, insbesondere in der Hauptebene des Fasergeleges in Richtung der Fasern und quer hierzu (in der Regel dargestellt in Form des so genannten Darcy Tensors) – durchzuführen:
Dabei wird ein Original-Faser-Gelege entweder in ein Original-RTM-Werkzeug oder auch in ein Simulationswerkzeug, welches auch statt einer dreidimensionalen Form eine zweidimensionale Form besitzen kann (wobei dann natürlich kein vorgeformtes Gelege verwendet werden kann) eingelegt und von einem Einspritzpunkt, der insbesondere hinsichtlich des Geleges der Lage des originalen Einspritzpunktes in der RTM-Form entspricht, die Simulationsflüssigkeit oder das Original-Harz-Härter-Gemisch eingespritzt und dessen Fortschritt in die einzelnen Richtungen vom Einspritzpunkt aus überwacht. Dies erfolgt in der Regel durch diverse, in dem Simulationswerkzeug oder dem Originalwerkzeug im unterschiedlichen Abstand und in unterschiedlichen Richtungen bezüglich des Einspritzpunktes angeordnete Sensoren, die beispielsweise auf Druck oder auf das Auftreten der spezifisch verwendeten Simulationsflüssigkeit reagieren.
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Dabei ist der Fortschritt des Harz-Härter-Gemisches in den äußersten Randbereichen des RTM-Formwerkzeuges nicht mehr von Interesse, da in diesen Randbereichen bereits die Luftauslässe bzw. Entlüftungs-Öffnungen zum Anlegen eines Vakuums angeordnet sind, und diese äußersten Randbereiche des fertigen Kunststoffteiles in der Regel später abgeschnitten und nicht verwendet werden.
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Dabei muss allerdings berücksichtigt werden, dass durch die Fertigungsunterschiede bei der Herstellung von Gelegen für ein und dieselbe Serie von Kunststoffteilen auch das Ausbreitungsverhalten des Harz-Härter-Gemisches stark beeinflusst wird und von den simulierten Ausbreitungsverhalten Abweichungen von bis zu ±30 % und sogar darüber möglich sind. Dennoch kann durch eine solche Simulation das Ausbreitungsverhalten und insbesondere die Ausbreitungsgeschwindigkeiten richtungsabhängig in den einzelnen Richtungen zumindest grob bestimmt werden.
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Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass zumindest das für diese Hardware-Simulation verwendete Fasergelege wegen Benetzung mit der Simulationsflüssigkeit nicht mehr benutzbar ist oder zumindest aufwändig gereinigt werden muss. Wenn darüber hinaus auch das Original-RTM-Werkzeug für die Simulation verwendet wurde, muss auch dieses Originalwerkzeug aufwändig gereinigt werden, bis danach entweder Veränderungen an dem Werkzeug vorgenommen werden können, oder neue Simulationen durchgeführt werden können.
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Dabei wird die erste Werkzeug-Auslegung mittels EDV-Programmen berechnet, meist noch ohne Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit des tatsächlichen Harz-Härter-Gemisches in den einzelnen Richtungen oder mit nur einer sehr groben Kenntnis dieser Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Um die Formgebung der Form als auch die Einstellung der Formhälften zueinander und gegebenenfalls auch noch die Gestaltung des Fasergelege für einen optimalen Einspritzprozess weiter zu optimieren, ist eine möglichst genaue Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit des tatsächlichen Harz-Härter-Gemisches in den einzelnen Richtungen des konkreten Fasergeleges notwendig.
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Aus der
DE 10 2009 058 431 A1 ist es bereits bekannt, zum Überprüfen der Verteilung des Harzes in einer Form dem Füllmaterial einen Marker zuzugeben, der eine elektromagnetische Strahlung oder eine Teilchenstrahlung aussenden kann, die detektiert werden kann und darüber das Transportverhalten wie etwa Harzfluss oder Durchmischung während der Formfüllung und Aushärtung analysiert werden kann.
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Aus der
DE 10 2011 112 141 A1 ist es bekannt, während des Füllens der Form die Temperatur in unterschiedlichen Zonen der Form separat zu steuern
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Aus der
DE 101 46 323 A1 ist es weiterhin bekannt, den Fließfortschritt beim Füllen der Form durch in den beiden Formhälften angeordnete und einander gegenüberliegende Ultraschallquelle und Ultraschallempfänger zu erfassen.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das auf einfache Art und Weise eine Hardware-Simulation des Ausbreitungsverhaltens, also des Fortschritts, des Harz-Härter-Gemisches in der späteren RTM-Form ermöglicht.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die Vorgehensweise, ein Simulations-Fluid zu verwenden, welches eine sehr viel geringere Viskosität besitzt als das originale Harz-Härter-Gemisch, kann selbst dann, wenn das Simulations-Fluid eine Flüssigkeit ist, hierfür eine solche Flüssigkeit gewählt werden, die auf Grund ihrer Viskosität und ihres Haftungsverhaltens sehr viel leichter sowohl aus dem Fasergelege als auch dem für die Hardware-Simulation verwendeten Formwerkzeug entfernt werden kann, sei es Wasser, oder gar eine selbstflüchtende Flüssigkeit wie etwa Alkohol.
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Aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Simulations-Fluids in die einzelnen Richtungen eines konkreten neuen, aber bis dahin noch nicht in der Serienherstellung benutzten, Fasergeleges, auch als Permeabilität bezeichnet, kann – mittels theoretischer Umrechnung oder mithilfe von Vergleichsversuchen – die Permeabilität des konkreten neuen Fasergeleges beim Durchströmen mit originalem Harz-Härter-Gemisch bestimmt werden.
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Anstatt die Permeabilität direkt zu messen – die Viskosität des verwendeten Simulations-Fluids ist ja bekannt – können wegen des direkten rechnerischen Zusammenhanges auch der Füll-Druck und die Füllrate, also das pro Zeiteinheit einströmende Volumen an Simulations-Fluid, bestimmt und daraus die Permeabilität berechnet werden.
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Zwar ist es für die Simulation nicht unbedingt notwendig, das in der Regel dreidimensional stark ausgeprägte originale RTM-Formwerkzeug zu verwenden, sondern es wird für solche Simulationen häufig auch ein ebenes Formwerkzeug, bestehend aus zwei ebenen Formhälften, beispielsweise zwei ebenen, kreisrunden Platten mit zentralem Einspritzpunkt, verwendet.
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Dennoch werden die Ergebnisse natürlich noch genauer, wenn das originale, in der Regel dreidimensionale, RTM-Formwerkzeug auch für die Simulation verwendet wird, was bei einem leicht entfernbaren oder sich gar selbst entfernenden Simulations-Fluid möglich ist, da dann auch das Strömungsverhalten an beispielsweise Biegestellen realistisch ermittelt werden kann.
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Darüber hinaus hängt der Fortschritt des Simulations-Fluids ebenso wie des originalen Harz-Härter-Gemisches nicht nur von der jeweils vorliegenden Faserrichtung ab, sondern auch von der groben dreidimensionalen Gestaltung des Formwerkzeuges, da es hierdurch zu Wechselwirkungen, wie etwa Verschiebung von Fasersträngen, Zusammenpressen von Fasersträngen oder ähnlichem kommen kann, was in einem zweidimensionalen, ebenen Simulationswerkzeug nicht im gleichen Maß, sondern stärker oder schwächer, auftreten kann, als beim Originalwerkzeug.
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Weiterhin ermöglicht es ein solches leicht entfernbares oder sich selbst entfernendes Simulations-Fluid, mit ein und demselben identischen Fasergelege schnell nacheinander Simulationen zu fahren, beispielsweise bei einem unterschiedlichen Einspritzdruck oder unterschiedlicher Abstandseinstellung der Formhälften (dadurch veränderter Faservolumen-Anteil) zueinander und ähnlichem, und dadurch Vergleichsmessungen zu erhalten, die von dem gleichen identischen Fasergelege stammen, also unbeeinflusst sind von Streuungen bei der Herstellung der Fasergelege.
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Zwar muss auf Grund der völlig anderen Viskosität des Simulations-Fluids ein Rückschluss von den in den einzelnen Richtungen und bis zu den einzelnen Entfernungen gemessenen Fortschritts-Geschwindigkeiten des Simulations-Fluids auf das originale Harz-Härter-Gemisch durchgeführt werden, aber dies ist auf unterschiedliche Art und Weise und mit relativ geringem Aufwand möglich:
- – Dafür wird entweder ein rechnerischer Zusammenhang hergestellt, der die zwischen Simulation und Originalvorgang unterschiedlichen Parameter, insbesondere die unterschiedliche Viskosität, berücksichtigt. Umrechnungsprogramme hierfür ohne Berücksichtigung der unterschiedlichen Viskosität existieren bereits und können mit geringem Aufwand um den Parameter unterschiedliche Viskosität ergänzt werden.
- – Die andere Möglichkeit besteht darin, bei identischem Fasergelege und identischem verwendeten Formwerkzeug einmal den Fortschritt mittels des Simulations-Fluids und andererseits den Fortschritt mittels des originalen Harz-Härter-Gemisches, und zwar in dieser Reihenfolge, zu detektieren und daraus den benötigten Zusammenhang zwischen den Fortschrittsgeschwindigkeiten von Simulations-Fluid einerseits und originalem Harz-Härter-Gemisch andererseits zu ermitteln.
Noch einfacher ist die Simulation, wenn als Simulations-Fluid ein Gas verwendet wird, da dieses weder am verwendeten Fasergelege noch an dem verwendeten Formwerkzeug haften bleibt, und somit beide wieder verwendet werden können, und somit insbesondere als Formwerkzeug das originale RTM-Formwerkzeug verwendet werden kann.
Dies gilt jedenfalls, sofern die Strömung durch das Fasermaterial annähernd laminar erfolgt und auch bei Einsatz des Original Harz-Härter-Gemisches die vom Gemisch auf die Fasern übertragenen Kräfte nicht zu einer Verschiebung oder Verformung der Fasern des Fasergeleges führen und die Viskosität des originalen Gemisches annähernd von dessen Scherrate unabhängig ist. Dann ergibt sich für unterschiedliche Fluide bei gleicher Füllrate auch die gleiche Fortschrittsgeschwindigkeit. Ein Unterschied in der Viskosität ändert lediglich das notwendige Druckniveau des Fülldruckes.
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Vor allem, wenn mehrere Simulationsläufe nacheinander durchgeführt werden sollen oder die Simulation ergibt, dass an dem RTM-Formwerkzeug selbst noch Änderungen vorgenommen werden müssen, sei es die Oberflächengestaltung modifiziert werden muss oder die Auslassöffnungen für Luft bzw. das Harz-Härter-Gemisch verändert, vergrößert, verkleinert oder anders positioniert, werden müssen, muss hierfür vorher keine Reinigung des zuvor für die Simulation benutzten RTM-Formwerkzeuges durchgeführt werden.
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Noch realistischere Simulationsergebnisse lassen sich erzielen, wenn das Durchströmen mit Simulations-Fluid, wofür dann vorzugsweise ein Simulationsgas verwendet wird, zweistufig erfolgt:
Zunächst wird ein Träger-Fluid durch die Einspritzöffnung und den Formhohlraum gepresst, der an den dafür vorgesehenen Austrittsöffnungen des Formwerkzeuges wieder austritt. Das Hindurchpressen von Träger-Fluid wird mit gleichem Beaufschlagungsdruck und gleicher Masse pro Zeiteinheit oder Volumen pro Zeiteinheit fortgesetzt, bis sich an den einzelnen Druckmessstellen im Formhohlraum ein jeweils stabiler Druck eingestellt hat. Diesen Zustand kann man als ein stabiles Druckprofil innerhalb des Formhohlraumes bezeichnen, denn obwohl an den einzelnen Messstellen der dort vorliegende Druck unterschiedlich ist, ist er an den einzelnen Messstellen stabil, also im Wesentlichen unverändert.
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Sobald dieser stationäre Zustand innerhalb des Formhohlraumes erreicht ist, wird dem Träger-Fluid ein Marker-Fluid, meist kurzzeitig, zugesetzt. Dabei wird das Hindurchpressen von Träger-Fluid oder dem Gemisch aus Träger-Fluid und Marker-Fluid mit gleichem Beaufschlagungsdruck und gleichem Volumen pro Zeiteinheit oder gleicher Masse pro Zeiteinheit natürlich fortgesetzt, um das stabiles Druckprofil aufrechtzuerhalten.
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Dabei sollten Träger-Fluid und Marker-Fluid entweder beide eine Flüssigkeit oder beide ein Gas, und vorzugsweise jeweils mit ähnlicher Viskosität, sein. In unterschiedlichen Richtungen von der Einspritzöffnung aus und in unterschiedlichen Entfernungen von der Einspritzöffnung aus wird nun das Eintreffen des Marker-Fluids detektiert, und damit die Zeitdauer vom Eingeben an der Einspritzöffnung bis zum Auftauchen an dem entsprechenden Messpunkt, wobei dessen Richtung und Entfernung vor allem in Relation zu den dazwischen vorliegenden Faserrichtungen von Interesse ist.
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Dabei wird natürlich das stabile Druckprofil innerhalb des Formhohlraumes beibehalten, in dem der Volumenstrom bzw. Massenstrom pro Zeiteinheit in die Einspritzöffnung und der Aufgabedruck des jetzt aus Träger-Fluid und Marker-Fluid bestehenden Gemisches der Gleiche ist wie vorher beim Träger-Fluid allein oder maximal um ±5 %, besser maximal ±1 % davon abweicht.
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Auf diese Art und Weise können auch eine Reihe von Simulationsläufen hintereinander durch zeitlich beabstandetes mehrfaches Aufgeben von Marker-Fluid, durchgeführt werden um durch Bestimmen eines Mittelwertes der Fortschrittsgeschwindigkeiten noch genauere Ergebnisse zu erzielen.
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Es versteht sich von selbst, dass mit einem erneuten Aufgeben von Marker-Fluid gewartet werden muss, bis an allen Detektionsstellen kein Marker-Fluid aus der vorhergehenden Beaufschlagung mehr feststellbar ist.
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Darüber hinaus kann durch Änderung des Beaufschlagungsdruckes und Durchsatzes mit Träger-Fluid an der Einspritzöffnung das vorliegende stabile Druckprofil innerhalb des Formhohlraumes auf unterschiedliche Höhen verändert werden, und bei solchen unterschiedlichen Höhen des Druckprofiles jeweils Marker-Fluid aufgegeben und eine Simulation durchgeführt werden. Bei steigendem Druckniveau des Druckprofiles wird die Fortschrittsgeschwindigkeit des Marker-Fluids in der Regel zunehmen.
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Durch die Veränderung des Druckniveaus mit Hilfe des Träger-Fluids ist auf einfache Art und Weise eine sehr realistische Anpassung an die Gegebenheiten innerhalb des RTM-Formwerkzeuges beim dortigen Einspritzen des originalen Harz-Härter-Gemisches möglich, denn auch dort bildet sich während des Einspritzvorganges ein Druckprofil innerhalb des Formhohlraumes aus, welches im Wesentlichen bekannt ist oder zumindest durch Versuche ermittelt werden kann.
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Durch die Veränderung des Abstandes der Formhälften zwischen den Beaufschlagungen mit Marker-Fluid kann der Faservolumengehalt des Fasermaterials geändert werden. Die Permeabilität von Materialien hängt in extrem starker Weise vom Faservolumengehalt ab, so dass der Zusammenhang von Faservolumengehalt und Permeabilität für die Werkzeugauslegung von großer Bedeutung ist.
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Für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist eine Vorrichtung sinnvoll, welche zum einen das originale RTM-Formwerkzeug oder ein Simulations-Formwerkzeug umfasst, welches dann in aller Regel ein nur zweidimensionales Formwerkzeug ist, und andererseits ein in den Formhohlraum dieses Formwerkzeuges eingelegtes spezifisches Fasergelege.
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Das verwendete Formwerkzeug besitzt dabei eine Einspritzöffnung für ein Simulationsfluid, die sich bezüglich des Fasergeleges an der gleichen Stelle befindet wie beim originalen RTM-Formwerkzeug. Diese Einspritzöffnung ist mit einer Zuführung für ein Simulationsfluid verbunden, und in dieser Zuführung ist entweder eine Volumenstrom-Messvorrichtung oder eine Massenstrom-Messvorrichtung sowie eine Druckmessvorrichtung vorhanden.
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Zusätzlich benötigt das Formwerkzeug – insofern wird auch das originale RTM-Formwerkzeug abgewandelt – mehrere Detektionsstellen, an denen das Vorliegen des Simulationsfluids detektiert werden kann. Diese Detektionsstellen befinden sich von der Einspritzöffnung aus in unterschiedlichen Richtungen und in unterschiedlichen Abständen. Diese Detektionsstellen sowie die Einspritzöffnung sind mit einer Zeitmessvorrichtung gekoppelt, die die Zeit vom Einspritzen des Simulationsfluids bis zum Ankommen an den einzelnen Detektionsstellen misst. Daraus kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Simulationsfluids in den einzelnen Richtungen in dem spezifischen Fasergelege bestimmt werden.
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Falls das Einspritzen des Simulationsfluids zweistufig erfolgt mit Trägerfluid und Marker-Fluid, muss die Zeitmessvorrichtung in der Lage sein, die Zeit zu messen, die das Marker-Fluid von der Einspritzöffnung bis zu den einzelnen Detektionsstellen benötigt.
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Ferner muss die Vorrichtung eine Messvorrichtung für den Umgebungsdruck außerhalb des Formwerkzeuges aufweisen.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
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1a, b: die Simulationsvorrichtung in Aufsicht und Schnittdarstellung und
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2: die Ausbreitung des Simulationsfluids im Simulationswerkzeug.
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Die 1a, b zeigen eine Simulationsvorrichtung mit einem Simulationsformwerkzeug 1, welches aus zwei Formhälften 1a, b in Form jeweils einer ebenen, kreisrunden und gleich großen Platte besteht.
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Zwischen diese beiden Formhälften 1a, b ist ein solches definiertes Fasergelege 2 eingelegt, wie es später in der Serienproduktion dieses Bauteiles auch in dem echten RTM-Formwerkzeug eingelegt werden soll.
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Beim Simulations-Formwerkzeug 1 steht dieses Fasergelege 2 in der Regel randseitig aus den beiden Formhälften 1a, b weiter vor als beim originalen RTM-Formwerkzeug, auf dessen Dimension das Fasergelege 2 ja zugeschnitten ist.
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In der Regel wird das RTM-Formwerkzeug keinen ebenen Formhohlraum besitzen, sondern einen dreidimensional geformten Formhohlraum, und dementsprechend werden auch die Formhälften des originalen RTM-Formwerkzeuges dreidimensional ausgebildet sein.
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Solange jedoch das dabei benutzte Fasergelege 2 ein im Ausgangszustand ebenes Fasergelege ist und zwischen die beiden ebenen Formhälften 1a, b des Simulations-Formwerkzeuges 1 entlang dessen Hauptebene 10 eingelegt werden kann, ohne dass es Verwerfungen bildet, kann das Simulationswerkzeug 1 zweidimensional, also eben, gestaltet sein.
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Falls jedoch das Fasergelege 2 eine bereits durch Zusammennähen von Einzelteilen oder auf andere Art und Weise von vornherein dreidimensionale Form aufweist, würde ein solches Fasergelege beim Einlegen in ein zweidimensionales Simulationswerkzeug Falten werfen, die eine sinnvolle Simulation der Ausbreitung des Harz-Härter-Gemisches in dem Simulationswerkzeug nicht mehr zulassen würden. Es müsste dann ein dreidimensional geformtes Simulationswerkzeug entsprechend der Form des echten RTM-Formwerkzeuges oder eben das tatsächliche RTM-Formwerkzeug auch für die Simulation benutzt werden.
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Bei dem verwendeten Simulations-Formwerkzeug 1 ist der Abstand in Querrichtung 11 zwischen den beiden Formhälften 1a, b einstellbar über eine Abstands-Stellvorrichtung 9, die beispielsweise über den Umfang verteilt an drei Stellen jeweils eine Mikrometer-Schraube umfasst, durch deren Verdrehung der Abstand zwischen den beiden Formhälften 1a, b eingestellt werden kann. Dementsprechend wird das Fasergelege 2 zwischen den Formhälften 1a, b mehr oder weniger stark zusammengepresst mit der Folge, dass die Hohlräume zwischen den einzelnen Fasern größer oder kleiner werden.
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Es soll nun das Ausbreiten eines Simulationsfluids entlang der Hauptebene 10 in dem Fasergelege 2 gemessen werden, ausgehend von einer Einspritzöffnung 3, die als Durchgangsöffnung in der einen Formhälfte 1a in deren Zentrum angeordnet ist, und die mit einer Zuführung 4 für das Simulationsfluid in Verbindung steht.
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In dieser Zuführung 4 sind ferner eine Massenstrom-Messvorrichtung 5 und eine Druck-Messvorrichtung 6 angeordnet. Dadurch kann die eingespritzte Masse pro Zeiteinheit des Simulationsfluids gemessen werden und unter Berücksichtigung des dabei gemessenen Einspritzdruckes das eingespritzte Volumen pro Zeiteinheit an Simulationsfluid.
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Die Simulationsflüssigkeit wird sich dabei radial ausbreiten, wobei die Front 15 des sich radial ausbreitenden Simulationsfluids ein mehr oder weniger stark verformter Ring ist, beispielsweise ein Ellipse, wie in 2 in der Ansicht von unten auf die Formhälfte 1b dargestellt.
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Um die in den unterschiedlichen radialen Richtungen unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit zu messen, sind in der einen Formhälfte 1a eine Vielzahl von Detektionsstellen 8 angeordnet, an denen das Vorliegen von Simulationsfluid festgestellt werden kann.
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Vorzugsweise sind – wie dargestellt – die Detektionsstellen 8 einerseits auf einem von der Einspritzöffnung 3 aus abgehenden Radialstrahl 13 positioniert und andererseits auf die Einspritzöffnung 3 konzentrisch umgebenden Kreisringen 14.
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Sowohl jede der Detektionsstellen 8 als auch die Einspritzöffnung 3 stehen mit einer Zeitmessvorrichtung 12 in Verbindung, sodass die Zeit gemessen wird, die vergeht vom Einspritzen des Simulationsfluides an der Einspritzöffnung 3 bis zum Ankommen an jeder einzelnen der Detektionsstellen 8.
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Somit ist z.B. die Ausbreitungsgeschwindigkeit entlang eines bestimmten Radialstrahles 13 bekannt, da die Zeiten vorliegen, die das Simulationsfluid bis zum Erreichen der ersten, zweiten usw. Detektionsstelle 8 entlang dieses Radialstrahles 13 benötigt.
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In 1a sind in der unteren und oberen Bildhälfte Fasergelege 2 mit unterschiedlichem Faserverlauf, also unterschiedlichen Faserrichtungen, dargestellt:
Während in der unteren Bildhälfte nur zwei Faserrichtungen vorliegen, die sich im rechten Winkel schneiden, handelt es sich in der oberen Bildhälfte um ein Fasergelege 2 mit drei jeweils um 120 Grad zueinander verdrehten Faserrichtungen.
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Abhängig von der Art des Fasergeleges und den Richtungen seiner Faserverläufe, kann die Front 15 der sich ausbreitenden Simulationsflüssigkeit unterschiedlich verformt sein und unterschiedlich liegen.
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Wenn es sich bei dem Fasergelege 2 beispielsweise um ein gewebtes Fasergelege mit zwei sich rechtwinklig kreuzenden Haupt-Faserrichtungen handelt, wie in der unteren Bildhälfte dargestellt, ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit häufig in der Diagonalen zu den beiden Hauptfaserrichtungen größer als in Faserrichtung, wodurch sich z.B. eine ovale Front 15 der sich ausbreitenden Simulationsflüssigkeit ergibt, deren große Halbachse auf der Diagonalen zwischen den zwei Haupt-Faserrichtungen des Fasergeleges 2 liegt.
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Wie 1b zeigt, ist ferner eine Druck-Messvorrichtung 7 außerhalb des Formwerkzeuges 1 vorhanden, die den Umgebungsdruck misst. Dies ist notwendig, da der Differenzdruck zwischen dem Einspritzdruck und dem Umgebungsdruck die treibende Kraft für das Fortschreiten der Ausbreitung der Simulationsflüssigkeit darstellt, und mit steigender Druckdifferenz die Ausbreitungsgeschwindigkeit etwa im selben Maße zunimmt.
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Mit einer solchen Simulationsvorrichtung können somit bei unterschiedlichen Abständen der Formhälften 1a, b zueinander – wobei die Veränderung des Abstandes sehr schnell vorgenommen werden kann – Messungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Simulationsfluids in die einzelnen radialen Richtungen durchgeführt werden und somit die Permeabilität des spezifischen Fasergeleges 2 bestimmt werden, welche anschließend eine sehr genaue EDV-Simulation der Ausbreitung des realen Harz-Härtergemisches durch das Fasergelege 2 in dem RTM-Formwerkzeug ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formwerkzeug, Simulation-Formwerkzeug, RTM-Formwerkzeug
- 1a, b
- Formhälfte
- 2
- Fasergelege
- 3
- Einspritzöffnung
- 4
- Zuführung
- 5
- Massenstrom-Messvorrichtung
- 6
- Druck-Messvorrichtung
- 7
- Druck-Messvorrichtung
- 8
- Detektions-Stelle
- 9
- Abstands-Stellvorrichtung
- 10
- Hauptebene
- 11
- Querrichtung
- 12
- Zeit-Messvorrichtung
- 13
- Radial-Strahl
- 14
- Kreisring
- 15
- Front
- TF
- Träger-Fluid
- MF
- Marker-Fluid
