-
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein Verfahren zur Prüfung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff.
-
Zur Analyse von Bauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff ist es bekannt, auf das ebene Fasermaterial vor der Herstellung des Bauteils ein Punkteraster aufzubringen. Dazu können beispielsweise Farbpunkte auf das ebene Ausgangsmaterial aufgeklebt werden. Alternativ kann das Bauteil auch maskiert und besprüht werden. Anschließend wird das Bauteil aus dem ebenen Fasermaterial z.B. im Nasspressverfahren hergestellt. Die dabei entstehenden Verformungen des Fasermaterials können anhand des Punkterasters ermittelt und ausgewertet werden. Bei einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff können anhand des Punkterasters Scherwinkel und Faserwinkel aber auch Dehnungen und Stauchungen bestimmt werden.
-
Die Auswertung des Punkterasters ist allerdings nur möglich, wenn dieses auch sichtbar ist. Faserverbundbauteile bestehen fast immer aus mehreren Lagen aus Fasern, die untrennbar miteinander verbunden sind. Das Punkteraster ist aber nur auf einer äußeren Lage des Ausgangsmaterials sichtbar. Es ist keine Analyse des Verhaltens aller Lagen möglich.
-
Darüber hinaus ist es aus der
DE 10 2011 080 958 ein Verfahren zur Prüfung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit mehreren übereinander angeordneten Lagen von Fasern zumindest aus den folgenden Schritten bekannt: Zunächst werden die einzelnen Lagen von Fasern übereinander angeordnet. Dabei wird auf zumindest einer am fertigen Bauteil nicht von außen sichtbaren Lage ein Punkteraster aus einem Kontrastmittel aufgebracht. Anschließend wird das Bauteil aus den übereinander angeordneten Lagen von Fasern hergestellt. Im letzten Verfahrensschritt wird nun das Bauteil mit einer durchstrahlenden Analysemethode untersucht. Mit Hilfe dieser Analysemethode wird das auf der zumindest einen Lage aufgebrachte Punkteraster sichtbar.
-
Bisherige Kontrastmittel werden als Farbe oder Pulver in das Material des Halbzeugs des herzustellenden Bauteils eingebracht. Hierbei ergibt sich das Problem, dass wie wasserbasierte Farbe vor dem Verpressen des Halbzeugs zum Bauteil einen Trocknungsprozess durchlaufen muss. Dabei kommt es jedoch auch zu einer Beeinträchtigung der zu verpressenden Materialien des Halbzeugs. Insbesondere führt das Andickungsmittel, das in dem Matrixmaterial vorgesehen ist zu einem Alterungsprozess, so dass das Matrixmaterial nicht beliebig spät weiterverarbeitet werden kann.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil, ein Verfahren zu dessen Herstellung und ein Verfahren zur Prüfung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff insbesondere eines Sheet-Moulded-Compound-Bauteil (SMC-Bauteil) zu schaffen, das eine Analyse einzelner Faser-Lagen ermöglicht. Es ist eine spezielle Aufgabe der Erfindung die Fließwege des Matrixmaterials erfassen zu können.
-
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Prüfung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der nebengeordnete Patentanspruch 6 bezieht sich auf entsprechendes Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff. Der nebengeordnete Patentanspruch 10 betrifft ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils.
-
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zur Prüfung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit mehreren übereinander angeordneten Lagen von Fasern, die in einer Matrix angeordnet sind, zumindest die folgenden Schritte: Zunächst werden die einzelnen Lagen von Fasern übereinander angeordnet. Als Fasern können dabei beispielsweise Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern zum Einsatz kommen. Dabei wird auf zumindest einer am fertigen Bauteil nicht von außen sichtbaren Lage ein Punkteraster aus einem Kontrastmittel aufgebracht. Von außen nicht sichtbare Lagen sind Zwischenlagen, die im Inneren Bereich des Halbzeugs angeordnet sind. Diese Faserlagen sind mit Matrixmaterial vorimpregniert. Das Punktemuster wird analog einer Markierung auf die Oberfläche der Matrix einer Faserlage aufgebracht. Äußere in der Nähe der Oberfläche des Bauteils angeordnete Randlagen sind für die Aufbringung eines Punktemusters nicht optimal geeignet. Versuche haben gezeigt, dass die Matrix dieser Randlagen beim Verpressen des Halbzeugs aufgrund deren Nähe zur Oberfläche des Presswerkzeugs geringere Fließwege durchlaufen. Anschließend wird das Bauteil aus den übereinander angeordneten Lagen von Fasern hergestellt. Im letzten Verfahrensschritt wird nun das Bauteil mit einer durchstrahlenden Analysemethode untersucht. Mit Hilfe dieser Analysemethode wird das auf der zumindest einen Lage aufgebrachte Punkteraster sichtbar. Anhand des Punkterasters ist es nun möglich, eine genaue Aussage über das Verhalten und die Veränderung der Faser-Lage bzw. der Fließwege deren Matrix, auf der das Punkteraster aufgebracht ist, durch die Herstellung des Bauteils zu erhalten. So kann nicht nur das Verhalten der von außen am fertigen Bauteil sichtbaren Lagen von Fasern sondern das Verhalten jeder beliebigen Lage des gesamten Bauteils analysiert werden. Weiterhin können die Punkte des Punkterasters im Wesentlichen aus dem gleichen Material wie die Matrix ausgebildet sein und das Kontrastmittel umfassen. Solche Matrixmaterialien können insbesondere Harze aus Styrol-Vinyl-Ester, Epoxid, Polyurethan usw. sein. Als Kontrastmittel eignen sich insbesondere Glaskugeln, Glasstaub, Talkum, schwere Mineralien wie Bariumsulfat, Titandioxid oder Salz. Durch die Menge und Kornform kann die Viskosität des Markierungsmaterials, das als Punkte das Punktmuster bildet auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
-
Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für eine optimale Auslegung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen, da in der Entwicklung meist noch Erfahrungswerte fehlen, wie sich die einzelnen Fasern bzw. Lagen an Fasern bei der Herstellung des Bauteils verhalten bzw. wie sich das Fließverhalten des Matrixmaterials verhält. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es jetzt, auf zerstörungsfreie Weise das Verhalten jeder beiliegen Lage analysieren zu können. Es kann nun auch auf eine einzelne Lage von Fasern ein Punkteraster aufgebracht werden, die am fertigen Bauteil nicht sichtbar ist. Die durchstrahlende Analysemethode ermöglicht es, das auf die Lage aufgebrachte Kontrastmittel sichtbar zu machen. So kann das Verhalten einzelner Lagen an Fasern bei der Herstellung des Bauteils nachvollzogen werden. Auch lokale Beschädigungen bei der Herstellung des Bauteils in einer Lage aus Fasern können so festgestellt und untersucht werden.
-
Basis für dieses Verfahren ist es, dass das Kontrastmittel auf die angewendete durchstrahlende Analysemethode abgestimmt ist, sodass es mit dieser Analysemethode wieder gut sichtbar gemacht werden kann. Hierfür eignen sich insbesondere bereits aus der Medizintechnik bekannte durchstrahlende Analysemethoden wie Röntgen- oder Computer-Tomografie-Verfahren. Für diese Verfahren sind auch die dazugehörigen Kontrastmittel aus der Medizintechnik bereits bekannt.
-
Das Kontrastmittel kann auf eine Lage von Fasern aufgedruckt oder aufgestempelt werden. Hierzu können einzelne Stempel ähnlich eines Nadelkissens auf einer Platte angeordnet sein. Die Spitzen dieser Stempel werden in ein Markierungsmaterial bzw. eine Farbe getaucht, so dass das Material an der Spitze der Stempel anhaftet. Danach wird das Nadelkissen auf den Faserzuschnitt gepresst, um so einen Tropfenauftrag zu erhalten. Dabei wird ein Punktemuster auf dem Faserzuschnitt erzeugt. Dies ist eine besonders einfache Methode, das Kontrastmittel aufzubringen. Viele Kontrastmittel haben den Nachteil, dass sie zwar mit einer durchstrahlenden Analysemethode sichtbar gemacht werden können, für das normale Auge aber nur eine durchsichtige Flüssigkeit sind, die nur schwer erkennbar ist. Bevorzugt wird daher das Kontrastmittel mit einer konventionellen Farbe vermischt. So kann mit bloßem Auge überprüft werden, ob das Punkteraster aus dem Kontrastmittel fehlerfrei auf die Lage aus Fasern aufgebracht wurde. Alternativ zum Aufdrucken oder Aufstempeln, kann die Farbe auch mittels Siebdruck aufgebracht werden. Dabei wird ein Lochblech auf dem Faserzuschnitt positioniert und das Markierungsmaterial mittels einer Rakel aufgetragen.
-
Die Punkte des Punkterasters können aus Matrixmaterial ohne Andickungsmittel ausgebildet sein. In dem Matrixmaterial zur Herstellung des Faserverstärkten Kunststoffbauteil sind sogenannte Andickungsmittel vorgesehen. Diese haben die Aufgabe die Entmischung von Verstärkungsfaser und Matrix zu verhindern. Allerdings erzeugen sie auch Alterungserscheinungen in dem noch nicht verarbeiteten Halbzeug. Deswegen sind die Halbzeuge zur Herstellung des Faserverstärkten Bauteils nicht beliebig haltbar. Um das Markierungsmaterial länger verarbeitungsfähig zu halten, wird hierfür Matrixmaterial ohne Andickungsmittel verwendet. Bevorzugter weise wird hierfür bei der Herstellung des Matrixmaterials vor dessen Andickung eine ausreichende Menge abgezweigt und mit Kontrastmittel vermengt, um das Markierungsmaterial zu bilden.
-
Günstigerweise werden die übereinander angeordneten Lagen von Fasern vor dem Herstellen des Bauteils bereits ein erstes Mal mit der durchstrahlenden Analysemethode untersucht. Alternativ dazu stellt das Fotografieren der Faserlagen eine sehr zeitsparende Vorgehensweise zum Durchstrahlen dar. Auf diese Weise ist genau dokumentiert, wo die einzelnen Punkte des Punkterasters sich vor dem Herstellen des Bauteils befinden. Wenn nun diese Daten mit den Ergebnissen der Analyse des Bauteils nach dem Herstellen verglichen werden, lässt sich eine sehr präzise Aussage über das Verhalten der Lage treffen.
-
Somit ermöglicht das Verfahren eine zerstörungsfreie Überprüfung der Bauteile bis in einzelne Lagen von Fasern hinein. Dies ist bei Faserverbundwerkstoffen von großer Bedeutung, da Fehler in der Faserorientierung, wie sie im Herstellungsprozess des Bauteils entstehen können, oft nicht von außen an dem Bauteil festgestellt werden können. Das Bauteil weist aber nicht mehr seine ursprünglich angestrebte Steifigkeit und Festigkeit auf. Mit dem Verfahren können solche Vorschädigungen nun relativ leicht festgestellt werden. Dies ist beispielsweise bei tragenden Karosseriebauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff von großer Bedeutung. So kann das Karosseriebauteil nach dem Herstellungsprozess oder einem Crash äußerlich noch unbeschädigt ausschauen, einzelne Faser-Lagen können aber bereits vorgeschädigt sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nun, solche Bauteile zerstörungsfrei überprüfen zu können.
-
Der Patentanspruch 6 bezieht sich auf ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, das aus mehreren, übereinander angeordneten Faser-Lagen besteht, wobei auf zumindest eine am fertigen Bauteil von außen nicht sichtbare Lage ein Punkteraster aus einem Kontrastmittel aufgebracht ist, wobei die Punkte des Punkterasters im Wesentlichen aus dem gleichen Material wie die Matrix ausgebildet sind und das Kontrastmittel umfassen. Idealerweise weisen mehrere Lagen derartige Punkteraster auf, die entweder aus unterschiedlichen Kontrastmitteln aufgebracht wurden oder einen definierten Versatz zueinander aufweisen, sodass die Punkteraster der einzelnen Lagen in der durchstrahlenden Analyse auseinander gehalten werden können.
-
Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff werden vor allem im Leichtbau eingesetzt, da sie vergleichbare Festigkeiten und Steifigkeiten wie konventionelle Bauteile aus Metall oder aus Kunststoff bei einem geringeren Gewicht aufweisen können. Dieser Gewichtsvorteil ist dann besonders groß, wenn die einzelnen Lagen aus Fasern optimal für die zu erwartenden Beanspruchungen des Bauteils ausgerichtet sind. Bevorzugt weist das Bauteil daher zumindest eine Lage aus gerichteten Fasern auf. Die vorhergehend beschriebene Erfindung eignet sich insbesondere für die Anwendung bei Bauteilen, die im Sheet-Moulding-Compound Verfahren (SMC), im Nasspressverfahren hergestellt werden sowie für Prepregs und Preforms.
-
In einem weiter Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei das Bauteil mehrere übereinander angeordnete Lagen von Fasern aufweist, die in einer Matrix angeordnet sind, mit zumindest folgenden Schritten: Übereinander Anordnen der einzelnen Lagen von Fasern, wobei auf zumindest einer am fertigen Bauteil nicht von außen sichtbaren Lage ein Punkteraster aus einem Kontrastmittel aufgebracht ist, Herstellen des Bauteils aus den übereinander angeordneten Lagen von Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass die Punkte des Punkterasters im Wesentlichen aus dem gleichen Material wie die Matrix ausgebildet sind und das Kontrastmittel umfassen.
-
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
-