DE102016112263A1

DE102016112263A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102016112263A1
Application number: DE102016112263.7A
Authority: DE
Inventors: Nico Liebers
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2036-07-06
Also published as: DE102016112263B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei ein Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes in ein Formwerkzeug eingebracht, das in das Formwerkzeug eingebrachte Fasermaterial mit einem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes infundiert und anschließend das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ein mehrteiliges Formwerkzeug mit einem ersten Formwerkzeugteil und wenigstens einem zweiten Formwerkzeugteil bereitgestellt wird, wobei an jedem Formwerkzeugteil eine Mehrzahl von Sensoren angeordnet sind, aus deren Sensorsignal die Benetzung des angrenzenden Formwerkzeugteils mit Matrixmaterial an der gegebenen Sensorposition zu einem bestimmten Zeitpunkt ableitbar ist, – für jeden Sensor ein Sensorsignalverlauf aus dem über die Zeit detektierten Sensorsignal des jeweiligen Sensors während des Infundierens des Matrixmaterials ermittelt wird, und eine Querschnittsgeometrie der Fließfront des infundierten Matrixmaterials in Abhängigkeit von einem Vergleich der Sensorsignalverläufe der Sensoren des ersten Formwerkzeugteils mit den Sensorsignalverläufen der Sensoren des zweiten Formwerkzeugteils in Bezug auf deren jeweilige Sensorposition ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine hierzu korrespondierende Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei ein Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes in ein Formwerkzeug eingebracht, das in das Formwerkzeug eingebrachte Fasermaterial mit einem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes infundiert und anschließend das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial ausgehärtet, d.h. polymerisiert wird.
Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen vereint die Eigenschaft einer hohen Festigkeit und Steifigkeit eines Bauteils mit einem sehr niedrigen Gewicht. Der Einsatz derartiger Werkstoffe ist daher unter dem Aspekt des Leichtbaus besonders vorteilhaft. Allerdings ist die hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Steifigkeit des Werkstoffes richtungsabhängig, so dass bei Bauteilen, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit in mehrere verschiedene Richtungen aufweisen müssen, komplexe Strukturen entstehen, die nicht selten aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt werden müssen.
Faserverbundwerkstoffe weisen dabei in der Regel zwei verschiedene Hauptkomponenten auf:

a) einen Faserwerkstoff bzw. ein Fasermaterial und
b) ein Matrixmaterial.

Das Fasermaterial bzw. der Faserwerkstoff wird dabei von dem Matrixmaterial umschlossen und bildet so beim Aushärten (es wird auch von Vernetzung bzw. Polymerisation gesprochen) des Matrixmaterials, bei dem das Matrixmaterial seine spezifische Festigkeit und Steifigkeit erhält, eine integrale Einheit. Als Fasermaterial kommen dabei insbesondere Kohlenstofffasern und Glasfasern in Betracht.
Die verwendeten Matrixmaterialien sind in der Regel Kunststoffe, wie beispielsweise Epoxidharz, oder allgemeiner thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe. Durch Temperierung dieser Matrixmaterialien wird eine chemische Vernetzungsreaktion beschleunigt, die dazu führt, dass das Matrixmaterial polymerisiert und somit aushärtet und die darin eingebetteten Fasern des Fasermaterials in die entsprechende Form zwingt. Während duroplastische Kunststoffe nach dem Aushärten ihre feste Form auch unter Wärmeeintrag behalten, können thermoplastische Kunststoffe bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur wieder aufgeschmolzen werden.
Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils, das aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet werden soll, können sowohl trockene Fasermaterialien als auch vorimprägnierte Fasermaterialien (sogenannte prepregs) verwendet werden. Werden trockene Fasermaterialien in ein Formwerkzeug eingebracht, um durch die formgebende Werkzeugoberfläche die entsprechende Preform in dem Werkzeug durch das Fasermaterial zu bilden, muss in einem weiteren Prozessschritt das Fasermaterial in dem Formwerkzeug mit dem Matrixmaterial infundiert werden, so dass das Fasermaterial schließlich in das Matrixmaterial eingebettet wird. Der Infusionsprozess an sich stellt dabei einen im gesamten Herstellungsverfahren sehr kritischen Prozessschritt dar, da nur durch eine vollständige Tränkung des Fasermaterials mit dem Matrixmaterial die notwendige Bauteilqualität sichergestellt werden kann. Verbleiben indes jedoch trockene, ungetränkte Bereiche innerhalb des Fasermaterials, so führen diese Bereiche nach dem Aushärten des Matrixmaterials zu Fehlstellen, an denen die geplanten Lasten des Bauteils nicht bestimmungsgemäß abgetragen werden können. Je nach Größe der ungetränkten Bereiche sowie dem Einsatzzweck des Faserverbundbauteils muss ein solches Bauteil dann als Ausschuss betrachtet werden.
Es ist daher wünschenswert, den Infusionsprozess möglichst lückenlos zu überwachen, um so zum Einen die Entstehung von trockenen, ungetränkten Bereichen feststellen zu können und zum Anderen regelnd in den Infusionsprozess eingreifen zu können, um die Gefahr von sich bildenden ungetränkten Bereichen zu verringern.
Gerade bei vollständig geschlossenen Formwerkzeugen verläuft der Infusions- und Aushärtungsprozess weitgehend im Inneren autark ab, so dass eine vollständige Prozessüberwachung schnell an ihre Grenzen stößt.
Aus der DE 197 37 267 C2 ist beispielsweise ein Verfahren zur Überwachung der Aushärtung von Duroplasten bekannt, bei dem eine in einem Formwerkzeug befindliche Formmasse mit Ultraschallwellen beschallt wird, die von einem ersten Ultraschall- Wandler in die Formmasse ausgesendet und von einem zweiten Ultraschall-Wandler 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 198 34 797 C2 ist ein Verfahren zum qualitätsgesteuerten Herstellen und Verarbeiten von Kunststoffen bekannt, bei dem akustische und/oder dielektrische Sensoren in das Formwerkzeug eingebracht und entsprechend akustische und/oder dielektrische Kennwerte des in dem Formwerkzeug befindlichen Bauteils ermittelt werden. Die Qualität des Formbauteils in dem Werkzeug wird dann mittels eines Expertensystems aus den gemessenen Kennwerten bewertet.
Aus der DE 10 2012 103 753 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Herstellungsprozesses zur Herstellung eines Formbauteils bekannt, wobei an einem Formwerkzeug Schallgeber in Form von piezoelektrischen Keramiken appliziert sowie Schallsensoren in Form piezoelektrischen Keramiken appliziert werden, um so Schallimpulse in das Formbauteil auszusenden und zu empfangen und basierend auf den empfangenen Ultraschallsignalen dann den Herstellungsprozess in dem geschlossenen Formwerkzeug zu überwachen.
Es hat sich gezeigt, dass bei dickeren Bauteilformen die Querschnittsform der Fließfront einen nicht unerheblichen Anteil an dem Auftreten von ungetränkten Stellen hat, so dass es während des Infusionsprozesses wünschenswert wäre, Aussagen über die Querschnittsform der Fließfront treffen zu können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils anzugeben, mit denen Aussagen über die Querschnittsform der Fließfront während des Infundierens des Matrixmaterials in das Fasermaterial getroffen werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Vorrichtung gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff vorgeschlagen, wobei gattungsgemäß ein Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes in ein Formwerkzeug eingebracht, das in das Formwerkzeug eingebrachte Fasermaterial mit einem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes infundiert und anschließend das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial ausgehärtet wird. Bei diesen gattungsgemäßen Herstellungsverfahren soll dabei der Infusionsprozess entsprechend überwacht werden.
Hierfür wird zunächst ein mehrteiliges Formwerkzeug bereitgestellt, das ein erstes Formwerkzeugteil und wenigstens ein weiteres, zweites Formwerkzeugteil hat. Ein solches mehrteiliges Formwerkzeug kann beispielsweise aus einer oberen Werkzeugform und einer unteren Werkzeugform bestehen, wobei im geöffneten Zustand das Fasermaterial in die untere Werkzeugform eingebracht und anschließend durch die obere Werkzeugform verschlossen wird.
Das so bereitgestellte Formwerkzeug kann dabei entsprechende Anschlüsse aufweisen, um eine Infusionsleitung für das Matrixmaterial anzuschließen, um das in das Formwerkzeug eingebrachte Fasermaterial infundieren zu können.
Das bereitgestellte Formwerkzeug weist dabei erfindungsgemäß eine Mehrzahl von Sensoren auf, wobei die Sensoren jeweils an dem ersten und dem wenigstens zweiten Formwerkzeugteil angeordnet sind. Jedes Formwerkzeugteil weist somit eine Mehrzahl von Sensoren auf. Die Sensoren sind dabei so ausgebildet, dass deren Sensorsignal die Benetzung des angrenzenden Formwerkzeugteils mit Matrixmaterial an der gegebenen Sensorposition zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen können, wodurch die Ankunft der Fließfront an der jeweiligen Sensorposition bestimmt werden kann.
Derartige Sensoren können beispielsweise akustische Sensoren, insbesondere Ultraschallsensoren, sein, die ein Ultraschallsignal in das Bauteil aussenden und entsprechend empfangen können. Solche Ultraschallsensoren können dabei beispielsweise piezoelektrische Keramiken sein, die direkt an das Formwerkzeug angeordnet werden, so dass zwischen Formwerkzeug und der piezoelektrischen Keramik kein Sensorvorlauf entsteht, wie dies beispielsweise bei Ultraschallprüfköpfen der Fall ist. Derartige Sensoren können aber auch dielektrische Sensoren sein, bei denen aus einem sich ändernden Impedanzverhalten des Bauteils Rückschlüsse auf die Ankunft der Fließfront an der jeweiligen Sensorposition möglich sind. Denkbar ist aber auch, dass es sich bei den Sensoren um kernmagnetische Resonanzsensoren handelt, die zum Erfassen der sogenannten kernmagnetischen Resonanz- oder auch Kernspin-Magnetresonanz ausgebildet sind.
Unter dem Begriff Sensor wird dabei eine Einheit verstanden, die je nach Ausbildung nicht nur zum Detektieren eines entsprechenden Signals, sondern unter Umständen auch zum Aussenden eines entsprechenden Signals, wie dies beispielsweise bei Ultraschallsensoren der Fall ist, ausgebildet sind. Ein Sensor im Sinne der vorliegenden Erfindung kann somit sowohl Signalgeber als auch Signaldetektor sein. Bei Ultraschallsensoren wird beispielsweise mit Hilfe eines Sensors ein Ultraschallsignal erzeugt, das in das Formwerkzeug und dann in das Bauteil einkoppelt, wobei je nach Eigenschaften des Bauteils, ein Teil der eingeschalteten Ultraschallsignale reflektiert werden und von dem Sensor empfangen werden können. Diese Verfahren nennt man auch Impuls-Echo-Verfahren. Denkbar ist aber auch, dass ein Sensor als Schallgeber und ein gegenüberliegender, an der jeweils anderen Werkzeugform angeordnete Sensor als Schallempfänger dient, wodurch ein Sensorsignal im Durchschallungsverfahren aufgenommen werden kann. Sowohl im Impuls-Echo-Verfahren als auch im Durchschallungsverfahren ändert sich das empfangene Signal bei Ankunft der Fließfront an der jeweiligen Sensorposition, so dass durch den Empfang der jeweiligen Sensorsignale Rückschlüsse auf die Ankunft der Fließfront an der jeweiligen Sensorposition möglich sind.
Erfindungsgemäß werden nun während des Infusionsprozesses, d.h. während des Infundierens des Matrixmaterials in das Fasermaterial, kontinuierlich Sensorsignale durch die Sensoren ermittelt, so dass über die Zeit für jeden einzelnen Sensor eine Vielzahl von Sensorsignalen vorliegt. Diese Sensorsignale werden beispielsweise in einem Datenspeicher hinterlegt. Mit Hilfe einer elektronischen Auswerteeinheit lässt sich nun aus den über die Zeit detektierten Sensorsignalen des jeweiligen Sensoren ein Sensorsignalverlauf im entsprechenden Sensor an der jeweiligen Sensorposition berechnen, was ebenfalls während des Infundierens des Matrixmaterials in das Fasermaterial geschehen kann. Ein solcher Sensorsignalverlauf ist dabei eine Funktion über die Zeit bezüglich eines durch das Sensorsignal des Sensors charakterisierenden Parameters, wie beispielsweis die Amplitude eines Ultraschallsignals.
Mit Hilfe der Auswerteeinheit werden nun diese so gebildeten Sensorsignalverläufe der jeweiligen Sensoren miteinander verglichen, wobei die Sensorsignalverläufe der Sensoren des ersten Formwerkzeugteils mit den Sensorsignalverläufen der Sensoren des zweiten Formwerkzeugteils gegenübergestellt werden, so dass aus einer zeitlichen Betrachtung und der jeweiligen bekannten Sensorposition dann eine Querschnittsgeometrie der Fließfront abschätzen lässt. Die Querschnittsgeometrie der Fließfront meint dabei die Fließfrontform in Dicken- und Fließrichtung, was einem Querschnitt in Dicken- und Fließrichtung des Fasermaterials entspricht.
Aus den Sensorsignalverläufen lässt sich somit die Querschnittsgeometrie der Fließfront während des gesamten Infusionsprozesses ermitteln, so dass basierend auf der Querschnittsgeometrie dann festgestellt werden kann, ob die Gefahr von Lufteinschlüssen oder ungetränkten Fehlstellen besteht oder nicht. So lässt sich beispielsweise feststellen, dass eine keilförmige Querschnittsgeometrie vorliegt, was auch einem zeitlichen Versatz von wenigstens zwei Sensoren an dem ersten und dem zweiten Formwerkzeugteil an jeweils gleicher Sensorposition bestimmt werden kann, was so viel bedeutet, wie das Matrixmaterial das eine Formwerkzeugteil an der Sensorposition zum einem früheren Zeitpunkt benetzt als an der gleichen Sensorposition des jeweils anderen Formwerkzeugteils, wodurch eine keilförmige Querschnittsgeometrie der Fließfront angenommen werden kann.
Basierend auf den Signalverläufen sowie der Position der einzelnen Sensoren lässt sich darüber hinaus auch der Anstieg einer keilförmigen Fließfrontgeometrie ermitteln, wobei bei einem sehr geringen Anstieg der keilförmigen Fließfrontgeometrie bzw. Fließfrontform die Gefahr eines Voreilens und somit die Gefahr eines Lufteinschlusses größer wird. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann dabei während des Infundierens des Matrixmaterials die Fließfrontform überwacht und ggf. in den Infusionsprozess eingegriffen werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein Formwerkzeug bereitgestellt, bei dem jeweils ein Sensor des ersten Formwerkzeugteils und einem entsprechenden Sensor des zweiten Formwerkzeugteils positionsbezogen ein Sensorpaar bilden, so dass in Bezug auf das erste Formwerkzeugteil und das zweite Formwerkzeugteil die beiden Sensoren an der gleichen Position angeordnet sind. Dadurch wird es beispielsweise möglich, bei Ultraschallsensoren den Infusionsprozess auch im Durchschallungsverfahren zu überwachen, da ein von einem Sensor aus gesendeten Sensorsignal von dem jeweils anderen Sensorsignal empfangbar ist. Bei einer derartigen Anordnung werden somit mehrere Sensorpaare gebildet, die jeweils aus zwei Sensoren bestehen, wobei einer der Sensoren an dem ersten Formwerkzeugteil und der jeweils andere Sensor an dem zweiten Formwerkzeugteil an der jeweils gleichen Sensorposition angeordnet sind.
Mit Hilfe der Auswerteeinheit wird nun ein zeitlicher Versatz aus den Sensorsignalverläufen der Sensoren der jeweiligen Sensorpaare bestimmt, so dass die Sensorsignalverläufe der Sensoren eines Sensorpaares miteinander verglichen werden. In Abhängigkeit von dem bestimmten zeitlichen Versatz lässt sich sodann die Querschnittsgeometrie der Fließfront ermittelten, einschließlich eines möglichen Anstieges einer keilförmigen Fließfrontform.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Formwerkzeug bereitgestellt, bei dem, wie bereits oben beschrieben, jeweils Sensorpaare durch jeweils zwei Sensoren gebildet werden, wobei die aus den Sensorsignalen der Sensoren eines Sensorpaares die vollständige Tränkung des Fasermaterials zwischen den Sensoren des Sensorpaares abgeleitet werden kann. Dies ist beispielsweise im Durchschallungsverfahren aufgrund der abnehmenden Dämpfung der Amplitude erkennbar. Die Querschnittsform der Fließfront wird nun in Abhängigkeit von einem Vergleich, der die Benetzung des angrenzenden Formwerkzeugteils anzeigenden Sensorsignalverläufe der Sensoren eines jeweiligen Sensorpaares einerseits und der die vollständige Tränkung zwischen den Sensoren des Sensorpaares anzeigenden Sensorsignalverläufe andererseits ermittelt, so dass sich aus diesen beiden, aus den jeweiligen Sensorsignalverläufen ableitbaren Informationen dann eine hochgenaue Aussage über die Querschnittsform der Fließfrontform ableiten lässt. Hierdurch lässt sich beispielsweise auch eine konkave oder konvexe U-förmige Querschnittsform der Fließfront ableiten, wobei gerade bei einer konkaven U-förmigen Querschnittsform der Fließfront die Gefahr von Lufteinschlüssen innerhalb des Bauteils besonders groß ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Formwerkzeug bereitgestellt, an dem akustische Sensoren, insbesondere Ultraschallsensoren, angeordnet sind. Die Ultraschallsensoren können dabei beispielsweise in Form von piezoelektrischen Keramiken direkt mit dem jeweiligen Formwerkzeugteil verbunden sein, so dass sie direkt an das jeweilige Formwerkzeugteil appliziert sind. Dabei wird ein die Benetzung des angrenzenden Formwerkzeugteils anzeigender Sensorsignalverlauf in Abhängigkeit von einem Impuls-Echo-Sensorsignal detektiert und eine vollständige Tränkung zwischen zwei Sensoren eines Sensorpaares anzeigender Sensorsignalverlauf in Abhängigkeit von einem Durchschallungs-Sensorsignal ermittelt, wobei durch die Kombination des Impuls-Echo-Sensorsignalverlaufs und des Durchschallungs-Sensorsignalverlaufs eine Aussage über die Querschnittsgeometrie der Fließfront getroffen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Injektionsprozess in Abhängigkeit von der ermittelten Querschnittsform beeinflusst, indem beispielsweise je nach Querschnittsform der Fließfront die Druckverhältnisse beim Injizieren angepasst werden. Eine Querschnittsgeometrie der Fließfront, die ein hohes Potential für Lufteinschlüsse und trockene Stellen hat, wird beispielsweise zu einer Erhöhung des Injektionsdruckes führen, um so auf die Geometrie der Fließfront Einfluss zu nehmen.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug sowie einer Auswerteeinheit zur Überwachung des Infusionsprozesses gelöst.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
1 – schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 – Diagramm eines Amplitudenverlaufes und der daraus resultierenden keilförmigen Querschnittsform;
3 – Diagramm eines Amplitudenverlaufes und der daraus resultierenden U-förmigen Querschnittsform;
4 – Diagramm verschiedener Signalverläufe bei Mehrfachreflektion.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 10, mit der ein Faserhalbzeug aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden soll. Die Vorrichtung 10 weist hierfür ein Formwerkzeug 11 auf, das aus zwei Formwerkzeugteilen bzw. Formwerkzeughälften besteht. Gemäß dem bekannten Closed-Mould-Verfahren weist das Formwerkzeug ein unteres, erstes Formwerkzeugteil 12 und ein oberes zweites Formwerkzeugteil 13 auf. Die beiden Formwerkzeugteile 12 und 13 des Formwerkzeuges 11 können dabei beispielsweise aus Stahl oder Aluminium hergestellt sein.
1 zeigt dabei einen Querschnitt durch das Formwerkzeug 11 und die zwischen den beiden Formwerkzeugteilen 12 und 13 eingebrachte Preform 14 aus Fasermaterial in Infusionsrichtung und Preformdicke d. Der Harzanguss für das Matrixmaterial erfolgt dabei in Ausführungsbeispiel der Füge 1 von rechts, so dass das Matrixmaterial 15 von rechts nach links infundiert und die trockene Preform von rechts nach links infundiert wird.
Das Formwerkzeug 11 weist des Weiteren eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren 20 auf, die jeweils an einer der Formwerkzeugteile 12 und 13 angeordnet sind. Die Ultraschallsensoren 20 können dabei beispielsweise piezoelektrische Keramiken sein, die direkt an das jeweilige Formwerkzeugteil appliziert werden. Die Ultraschallsensoren stehen dabei mit einer Auswerteeinheit 30 in Verbindung, um die Ultraschallsensoren ansteuern zu können und ein empfangenes Sensorsignal entsprechend auswerten zu können.
Die Anordnung der Ultraschallsensoren 20 erfolgt dabei paarweise, wobei beim Ausführungsbeispiel der 1 vier Sensorpaare 21 bis 24 gezeigt sind. Das Sensorpaar 21, das dem Harzanguss am nächsten ist, weist dabei einen Ultraschallsensor 21a auf, der an dem unteren, ersten Formwerkzeugteil 12 angeordnet ist und einen Ultraschallsensor 21b, der axial oder koaxial an dem zweiten Formwerkzeugteil 13 des Formwerkzeuges 11 angeordnet ist. Ein von dem ersten Ultraschallsensor 21a ausgesendetes Schallsignal ist dabei im Durchschallungsverfahren von seinem Gegenstück, dem zweiten Ultraschallsensor 21b des Ultraschallsensorpaares 21 entsprechend empfangbar. In korrespondierender Art und Weise werden auch die Ultraschallsensoren der weiteren Ultraschallsensorpaare 22, 23 und 24 angeordnet.
Mit Hilfe der Steuer- und Auswerteeinheit 30 werden die Ultraschallsensoren 20 nun so angesteuert, dass die zum einen Ultraschallsignale im Impuls-Echo-Verfahren und Ultraschallsignale im Durchschallungsverfahren aussendet. Beim Impuls-Echo-Verfahren werden die Schallsignale von einem Ultraschallsensor 20 ausgesendet und von demselben Ultraschallsensor dann die an den Übergängen entstehenden Reflektionen empfangen. Im Durchschallungsverfahren wird hingegen von einem Ultraschallsensor eines Ultraschallpaares ein Ultraschallsignal ausgesendet, das von dem jeweils anderen Ultraschallsensors des Ultraschallsensorpaares dann an der gegenüberliegenden Seite des Formwerkzeuges 11 empfangen wird.
Je nach Vorhandensein und Nichtvorhandensein des Matrixmaterials unterscheidet sich dabei das Ultraschallsignal in den jeweiligen Schallverfahren, woraus Rückschluss auf die Querschnittsgeometrie der Fließfront in Dickenrichtung gemacht werden kann.
Beim Impuls-Echo-Verfahren wird von einem Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal in das Formwerkzeug eingekoppelt, wobei am Übergang von der Formwerkzeughälfte in die Preform eine Reflektion entsteht, die von dem Vorhandensein oder dem
Nichtvorhandensein des Matrixmaterials bzw. einer Benetzung der Formwerkzeugoberfläche durch Matrixmaterial im Bereich des Sensors bedingt wird. Wird das Formwerkzeug im Bereich des Sensors nicht durch Matrixmaterial benetzt, so erfolgt eine fast einhundertprozentige Reflektion des eingekoppelten Schallsignals zurück an den entsprechenden Sensor, was beispielsweise bei Sensor 24a schematisch dargestellt ist. Erkennbar ist dies beispielsweise an der Amplitude des eingekoppelten Schallsignals, die nach der Reflektion in etwa der zuvor ausgesendeten Amplitude entspricht. Wird der Bereich des Formwerkzeuges um den Sensor herum jedoch durch das Matrixmaterial 15 benetzt, wie dies beispielsweise bei dem Sensor 21a der Fall ist, so ist die Reflektion messbar geringer, so dass anhand des Vergleichs zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Sensorsignal als ein normiertes Sensorsignal dann festgestellt werden kann, dass der Bereich des Formwerkzeugs um den Sensor herum durch Matrixmaterial benetzt wurde. Basierend auf der Sensorposition sowie einem zeitlichen Verlauf lässt sich dann sicher die Ankunft der Fließfront an die jeweilige Sensorposition feststellen.
Der Messeffekt beim Puls-Echo-Verfahren mit Hilfe eines Puls-Echo-Signals kann durch wiederholtes Reflektieren gesteigert werden. Bei Stahl beispielsweise fällt die Amplitude aufgrund des hohen Impedanzverhaltens von Stahl zu Harz auf K = 27 auf nur 93 % des Ausgangswertes während des Passierens der Fließfront. Bei erhöhter Anzahl der Reflektionen n wird der Messeffekt erhöht, der Zusammenhang ergibt sich zu
zeigt dabei ein solches Zeitsignal mit vier Echos vor der Harzankunft (oberes Diagramm), ein Zeitsignal nach Harzankunft (Mitte) sowie den Amplitudenabfall der vier Echosignale während des Fließfrontdurchlaufs (unten).
Beim Durchschallungsverfahren kann darüber hinaus festgestellt werden, und zwar anhand des Durchschallungs-Sensorsignals, ob die Fließfront vollständig zwischen den beiden Sensoren des jeweiligen Sensorpaares angekommen ist. Im Ausführungsbeispiel der Füge 1 bezüglich des Sensorpaares 21, wird von dem Sensor 21a des unteren, ersten Formwerkzeugteils ein Durchschallungs-Sensorsignal ausgesendet, das durch die harzgetränkte Preform hindurch in das zweite Formwerkzeugteil 13 einkoppelt und dort von dem zweiten Sensor 21b des Sensorpaares 21 empfangen wird. Aus dem Durchschallungssignal ist dabei erkennbar, dass das Schallsignal eine mit Harz getränkte Preform durchlaufen hat. Wird hingegen ein Durchschallungs-Verfahren bei dem Sensorpaar 24 angewendet, so koppelt das Durchschallungs-Sensorsignal nicht in eine harzgetränkte Preform ein, sondern in eine trockene, ungetränkte Preform, was aus dem Sensorsignal abgeleitet werden kann (beispielsweise anhand der Signallaufzeit).
Aus der Kombination des Impuls-Echo-Verfahrens und dem Durchschallungsverfahrens während der Infiltration des Faserhalbzeuges mit Matrixmaterial lassen sich drei Informationen für jede Sensorposition eines Sensors bzw. eines Sensorpaares ableiten. Zum einen lässt sich für ein Sensorpaar ableiten, wann eine Benetzung einer Formwerkzeughälfte bzw. eines Formwerkzeugteils mit Matrixmaterial stattfindet bzw. stattgefunden hat, und zwar unabhängig für jeden Sensor des Sensorpaares und somit unabhängig für jedes Formwerkzeugteil einzeln. Darüber hinaus lässt sich eine zeitliche Information darüber ableiten, wann der Bereich zwischen den koaxial angeordneten Sensoren eines Sensorpaares vollständig mit Harz getränkt wurde. Aus diesen Informationen lässt sich dann die Querschnittsgeometrie der Fließfront berechnen.
In den 2 und 3 ist eine Kombination der Sensorsignale der verschiedenen Schallverfahren sowie die daraus ermittelbare Querschnittsgeometrie der Fließfront dargestellt. In 2 ist in dem oberen Diagramm der Amplitudenverlauf eines normierten Sensorsignals im Impuls-Echo-Verfahren dargestellt, wobei der Sensorsignalverlauf, der mit 31a gekennzeichnet, den Signalverlauf des unteren Ultraschallsensors 21a (1) darstellt, während der Signalverlauf, der mit 31b gekennzeichnet ist, bezüglich des zweiten Sensors 21b des Sensorpaares 21 am oberen Werkzeugteil gemessen wird.
Wie zu erkennen ist, entsteht ein zeitlicher Versatz zwischen dem Signalverlauf 31a des unteren Sensors 21a zu dem Sensorsignalverlauf 31b des oberen Sensors 21b des Sensorpaares 21, was den Rückschluss erlaubt, dass die Fließfront das Formwerkzeug im Bereich des unteren Sensors 21a während des Infundierens des Matrixmaterials früher benetzt als das Formwerkzeug im Bereich des oberen Sensors 21b.
Das untere Diagramm in 2 zeigt einen Amplitudenverlauf 31c des Sensorpaares 21 im Durchschallungsverfahren (Durchschallungssignal). Es ist zu erkennen, dass der Amplitudenverlauf 31c des Durchschallungssignals zeitgleich mit dem Signalverlauf des Impuls-Echo-Signals des oberen Sensors 21 seinen Maximalausschlag erreicht, woraus geschlossen werden kann, dass zum Zeitpunkt der Benetzung des Formwerkzeuges im Bereich des oberen Sensors 21b das Fasermaterial bzw. die Preform zwischen den beiden Sensoren 21a und 21b vollständig getränkt ist.
Dies lässt einen Rückschluss auf eine keilförmige Querschnittsgeometrie 32 der Fließfront zu, wie sie im unteren Bereich der 2 dargestellt ist.
In 3 ist ein weiteres Beispiel zur Erkennung der Querschnittsgeometrie der Fließfront aus den Signalverläufen gezeigt, bei dem zunächst die Impuls-Echo-Signalverläufe im oberen Diagramm nahezu identisch sind zu den Signalverläufen der Impuls-Echo-Signale aus 2. Allerdings entsteht ein zeitlicher Versatz zwischen dem Durchschallungs-Signalverlauf und den Impuls-Echo-Signalverläufen, so dass eine vollständige Tränkung zwischen den Sensoren des Sensorpaares zu einem späteren Zeitpunkt erreicht wird, als die Benetzung des Formwerkzeugs im Bereich der Sensoren im Einzelnen. Dies lässt den Schluss zu, dass eine U-förmige Fließfront 33 vorliegt, die mit dem Risiko von Lufteinschlüssen verbunden ist.
Noch einmal zurückgekommen auf 1, der Anstieg des Keils der keilförmigen Querschnittsgeometrie der Fließfront kann dabei beispielsweise aus dem zeitlichen Versatz bzw. der zeitlichen Verzögerung der beiden Impuls-Echo-Signalverläufe abgeleitet werden, woraus ebenfalls ein Risiko für Lufteinschlüsse abgeleitet werden kann.
Die Signalverläufe können dabei beispielsweise normierte Amplitudenverläufe sein, die beispielsweise prozentual die Dämpfung der Amplitude zwischen ausgesendetem Signal und empfangenen Signal darstellen. Die Signalverläufe können ebenso, insbesondere im Durchschallungsverfahren, die Signallaufzeit nachstellen, wobei dies hier normiert auf den getränkten oder den ungetränkten Zustand prozentual erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
11: Formwerkzeug
12: erstes Formwerkzeugteil
13: zweites Formwerkzeugteil
14: trockene Preform
15: Matrixmaterial
20: Ultraschallsensoren
21 bis 24: Sensorpaare
21a, 21b: Sensoren des ersten Sensorpaares 21
22a, 22b: Sensoren des zweiten Sensorpaares 22
23a, 23b: Sensoren des dritten Sensorpaares 23
24a, 24b: Sensoren des vierten Sensorpaares 24
30: Auswerte- und Steuereinheit
31a: Impuls-Echo-Signalverlauf bezüglich des unteren Sensors 21a
31b: Impuls-Echo-Signalverlauf bezüglich des oberen Sensors 21b
31c: Durchschallungs-Signalverlauf des Sensorpaares 21
32: keilförmige Querschnittsgeometrie
33: u-förmige Querschnittsgeometrie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19737267 C2 [0009]
DE 19834797 C2 [0010]
DE 102012103753 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei ein Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes in ein Formwerkzeug (11) eingebracht, das in das Formwerkzeug (11) eingebrachte Fasermaterial mit einem Matrixmaterial (15) des Faserverbundwerkstoffes infundiert und anschließend das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial (15) ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ein mehrteiliges Formwerkzeug (11) mit einem ersten Formwerkzeugteil (12) und wenigstens einem zweiten Formwerkzeugteil (13) bereitgestellt wird, wobei an jedem Formwerkzeugteil (12, 13) eine Mehrzahl von Sensoren (20) angeordnet sind, aus deren Sensorsignal die Benetzung des angrenzenden Formwerkzeugteils (12, 13) mit Matrixmaterial (15) an der gegebenen Sensorposition zu einem bestimmten Zeitpunkt ableitbar ist, – für jeden Sensor (20) ein Sensorsignalverlauf (31) aus dem über die Zeit detektierten Sensorsignal des jeweiligen Sensors während des Infundierens des Matrixmaterials (15) ermittelt wird, und – eine Querschnittsgeometrie der Fließfront des infundierten Matrixmaterials (15) in Abhängigkeit von einem Vergleich der Sensorsignalverläufe der Sensoren des ersten Formwerkzeugteils mit den Sensorsignalverläufen der Sensoren des zweiten Formwerkzeugteils in Bezug auf deren jeweilige Sensorposition ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formwerkzeug (11) bereitgestellt wird, bei dem jeweils ein Sensor des ersten Formwerkzeugteils mit einem entsprechenden Sensor des zweiten Formwerkzeugteils positionsbezogen ein Sensorpaar bilden, wobei ein zeitlicher Versatz aus den Sensorsignalverläufen der Sensoren eines jeweiligen Sensorpaares (21, 22, 23, 24) bestimmt und in Abhängigkeit von dem bestimmten zeitlichen Versatz die Querschnittsgeometrie der Fließfront ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formwerkzeug (11) bereitgestellt wird, bei dem jeweils ein Sensor des ersten Formwerkzeugteils mit einem entsprechenden Sensor des zweiten Formwerkzeugteils positionsbezogen ein Sensorpaar bilden und aus deren Sensorsignal der Sensoren eines Sensorpaares (21, 22, 23, 24) weiterhin die vollständige Tränkung des Fasermaterials zwischen den Sensoren des Sensorpaares (21, 22, 23, 24) ableitbar ist, wobei die Querschnittsform der Fließfront in Abhängigkeit von einem Vergleich der die Benetzung des angrenzenden Formwerkzeugteils anzeigenden Sensorsignalverläufe der Sensoren eines jeweiligen Sensorpaares (21, 22, 23, 24) und der die vollständige Tränkung zwischen den Sensoren des Sensorpaares (21, 22, 23, 24) anzeigenden Sensorsignalverläufe ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine keilförmige oder eine u-förmige Querschnittsform der Fließfront aus den Sensorsignalverläufen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formwerkzeug (11) bereitgestellt wird, an dem akustische Sensoren, insbesondere Ultraschallsensoren (20), dielektrische Sensoren oder kernmagnetische Resonanzsensoren angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formwerkzeug (11) bereitgestellt wird, an dem akustische Sensoren, insbesondere Ultraschallsensoren (20), angeordnet sind, wobei ein die Benetzung des angrenzenden Formwerkzeugteils anzeigender Sensorsignalverlauf in Abhängigkeit von einem Impuls-Echo-Sensorsignal und/oder ein die vollständige Tränkung zwischen zwei Sensoren eines Sensorpaares (21, 22, 23, 24) anzeigender Sensorsignalverlauf in Abhängigkeit von einem Durchschallungs-Sensorsignal ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Querschnittsgeometrie der Fließfront ein oder mehrere Parameter des Infusionsprozesses eingestellt werden.
Vorrichtung (10) zur Herstellung eines Faserverbundbauteil aus einem Faserverbundwerk, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem mehrteiligen Formwerkzeug (11), welches ein erstes Formwerkzeugteil (12) und wenigstens ein zweites Formwerkzeugteil (13) hat, wobei an jedem Formwerkzeugteil eine Mehrzahl von Sensoren angeordnet sind, aus deren Sensorsignal die Benetzung des angrenzenden Formwerkzeugteils mit Matrixmaterial (15) an der gegebenen Sensorposition zu einem bestimmten Zeitpunkt ableitbar ist, wobei im geschlossenen Zustand zwischen den beiden Formwerkzeugteilen eine Kavität entsteht, in die ein trockenes Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes einbringbar ist, und wobei eine Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen ist, um aus den Sensorsignalen die Sensorsignalverläufe und die Querschnittsgeometrie der Fließfront aus den Sensorsignalverläufen zu ermitteln.