DE102015010815A1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Ermittlung und Ortung von Undichtkeiten beim Vakuumsackverfahren - Google Patents

Abstract

Messvorrichtung zur Ermittlung und Ortung von Leckagen beim Vakuumsackverfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer aus einem elastischen piezoelektrischen Sensor (1) und einem Stützelement (2) besteht.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 6, zur Ermittlung und Ortung von Undichtigkeiten beim sogenannten Vakuumsackverfahren, welches z. B. bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen zum Einsatz kommt.
• Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen ist das Vakuumsackverfahren ein gängiges Verfahren um komplexe Formen durch einen Schichtaufbau von Prepregs während der Aushärtung mit den notwendigen Presskräften zu beaufschlagen. Prepreg Halbzeuge sind mit Reaktionsharzen vorimprägnierte (englisch: preimpregnated) textile Halbzeuge, die zur Herstellung von Bauteilen unter Temperatur und Druck ausgehärtet werden. Dabei werden einzelne Prepregschichten übereinander auf oder in eine gewünschte Form gelegt. Auf diese Weise entsteht ein mehrlagiger Aufbau der mit einer gasdichten Folie, dem sogenannten Vakuumsack überzogen wird. An den Rändern wird der Vakuumsack abgedichtet. Dieser Aufbau wird dann über dafür vorgesehene Anschlüsse evakuiert. Beim Evakuieren legt sich der Vakuumsack ganz eng um die mit Prepregs belegte Form. Diese Anordnung wird dann im Autoklaven unter erhöhter Temperatur und Druckbeaufschlagung ausgehärtet. Hierbei wird der Vakuumsack im evakuierten Zustand gehalten, um einen Presswirkung des von außen beaufschlagten Gasdrucks zu erzielen. Bei jedem dieser Schritte kann es durch die mechanische oder thermische Belastung zu kleineren oder größeren Undichtigkeiten im Vakuumsack (z. B. durch Einrisse) und/oder der Randabdichtung (z. B. durch Faltenbildung) kommen. Werden diese Undichtigkeiten zu spät oder gar nicht erkannt bzw. behoben, können die Bauteile nicht homogen aushärten und sind dann in der Regel unbrauchbar. Nach dem Stand der Technik werden Undichtigkeiten durch eine erhöhte Leckrate beim Vakuumziehen festgestellt. Diese werden über ein Manometer gemessen. Aufgrund der sehr niedrigen Grenzwerte für noch tolerierbare Leckraten und der begrenzten Auflösung von Manometern, kann es bis zu einer Stunde dauern, bis eine zuverlässige Leckrate ermittelt werden kann. Die Ortung der Undichtigkeit ist mit Hilfe eines Manometers nicht möglich. Diese erfolgt durch Abhören kritischer Stellen mittels eines speziellen Mikrofons. Dies ist eine sehr aufwändige Prozedur, die das Vakuumsackverfahren für die Serienproduktion ineffizient und unwirtschaftlich macht.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen und eine Messvorrichtung sowie ein Verfahren zu ermöglichen, welche eine schnellere Bestimmung und Ortung entstehender Undichtigkeiten ermöglicht. Zudem soll auch eine Ortung bereits bestehender Undichtigkeiten ermöglicht werden. Dadurch soll die Wirtschaftlichkeit des Vakuumsackverfahren deutlich verbessert werden.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 6.
• Nach Maßgabe der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Messaufnehmer der Messvorrichtung aus einem elastischen Biegewandler und einem Stützelement besteht.
• Der Biegewandler kann ein piezoelektrischer Sensor sein. Vorzugsweise hat der Biegewandler eine Biegefestigkeit ≥ 1 MPa, bevorzugt ≥ 10 MPa, besonders bevorzugt ≥ 100 MPa. Das E-Modul des Biegewandlers liegt vorzugsweise zwischen 0.1 GPa und 100 GPa, besonders bevorzugt zwischen 1 GPa und 50 GPa. Diese Werte gelten bevorzugt über einen Temperaturbereich zwischen 20°C und 180°C.
• Das Stützelement ist so gestaltet, das der Sensor über mindestens zwei Lagerungspunkte auf einer festen Fläche aufliegen kann. Die Lagerungspunkte können dabei punktartig, bogenartig, linienartig oder flächenartig sein.
• Es hat sich gezeigt, dass ein derartiger Messaufnehmer besonders sensitiv ist für kleinste Druckschwankungen in einer mechanisch stark gedämpften Umgebung, wie sie in einem Vakuumsack vorherrscht. Des weiteren hat sich gezeigt, dass diese Sensitivität ausreicht, um auch kleinste nichtolerierbare Undichtigkeiten beim Vakuumsackverfahren innerhalb kürzester Zeit zu detektieren.
• Nach Maßgabe der Erfindung sind die weiteren Komponenten der Messvorrichtung eine abgeschirmte Signalleitung, ein elektrischer Analogsignalverstärker und/oder Analogsignalfilter sowie ein Gerät zur Erfassung, Digitalisierung, Auswertung und Anzeige der vom Sensor gelieferten Signale in Echtzeit.
• Eine derartige Messvorrichtung kann durch Einlegen eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers in den Vakuumsack, kleinste Druckschwanken im Vakuumsack überwachen. Wird die Vakuumpumpe abgeschaltet, zeigt eine derartige Messvorrichtung sofort ein zur Leckrate proportionales Signal an. Durch Verteilung von zwei oder mehrerer Messaufnehmer in den Vakuumsack kann eine derartige Messvorrichtung zudem Undichtigkeiten orten.
• Nach Maßgabe der Erfindung werden die Leckrate und Positionen der Undichtigkeiten aus dem Anstiegsverhalten der transienten Messaufnehmersignale ermittelt.
• Es hat sich herausgestellt, dass je näher das entstandene Leck an einem Messaufnehmer ist, desto steiler ist die Anstiegsflanke des Signals an diesem Messaufnehmer durch die plötzliche Druckerhöhung. Überraschenderweise ist auch die Zeit bis zum Erreichen der maximale Steigung charakteristisch für den Abstand zur Leckage.
• Da sich der Verlauf der Steigung (1. Ableitung des Zeitsignals) und dessen Maximum/Minimum charakteristisch mit dem Abstand vom Messaufnehmer ändert, kann mittels Triangulation auf die Position einer Undichtigkeit geschlossen werden. Sind bereits vorher Undichtigkeiten vorhanden können diese durch kurzzeitige Abdeckung nachträglich lokalisiert werden. Verblüffenderweise hat sich gezeigt, dass es hierzu ausreicht die Oberfläche des Vakuumsacks mit einem weichen Schwamm zu überstreichen der mit einer dünnnen Folie überzogen ist. Beim Überstreichen einer Undichtigkeit dichtet die Folie diese kurzzeitig effektiv ab und erzeugt so ein charakteristisches transientes Signal an den Sensoren analog zu einer entstehenden Undichtigkeit.
• Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
• 1 Eine schematische Schnittansicht der Messvorrichtung,
• In den 1 ist mit Bezugszeichen 1 der Biegesensor bezeichnet. Dies kann beispielsweise piezoelektrischer Sensor sein.
• Mit dem Bezugszeichen 2 ist das Stützelement bezeichnet. Es kann ein Kunststoffring oder ein keilförmiges Auflager sein. Das Stützelement kann auch integraler Bestandteil des Biegesensors sein.
• Mit dem Bezugszeichen 3 ist der Vakuumsack bezeichnet.
• Mit Bezugszeichen 4 ist der Vakuumtisch bezeichnet. Dieser kann auch die Modellform bzw. Modellvorrichtung darstellen.
• Mit Bezugszeichen 5 ist das Prepreg Laminat bezeichnet.
• Mit Bezugszeichen 6 ist die Luftführende Schicht bezeichnet.
• Mit Bezugszeichen 7 ist die Dichtung in Form eines Dichtbandes bezeichnet.
• Mit Bezugszeichen 8 ist der Vakuumanschluss bezeichnet.
• Bezugszeichenliste

1

Biegewandler

2

Stützelement

3

Vakuumsack

4

Vakuumplatte, Modellform, Vorrichtung

5

Prepreg Laminat

6

Luftführende Schicht

7

Dichtband

8

Vakuumanschluss

Claims (6)

1. Messvorrichtung zur Ermittlung und Ortung von Leckagen beim Vakuumsackverfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer aus einem elastischen piezoelektrischen Sensor (1) und einem Stützelement (2) besteht dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) über mindestens zwei Lagerungspunkte auf einer festen Fläche aufliegen kann.
2. Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Lagerungspunkte punktartig, bogenartig, linienartig oder flächenartig sind.
3. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor eine Biegefestigkeit ≥ 1 MPa aufweist.
4. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das E-Modul des Sensors zwischen 0.1 GPa und 100 GPa liegt.
5. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Werte für über einen Temperaturbereich zwischen 20°C und 180°C gelten.
6. Verfahren zur Erfassung und Ortung einer Undichtigkeit mit einer Messvorrichtung gemäß einer der vorhergehenden Ansprüch, wonach die Leckrate der Undichtigkeit über den Offset der Messaufnehmersignale ermittelt wird und der Ort einer sich öffnenden oder schließenden Undichtigkeit über die ortsabhängigen zeitlichen Messaufnehmer-Signalverläufe geschlossen wird.

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