DE102016208597B4 - Zerstörungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Faserorientierung von elektrisch leitenden Wirrfasermaterialien - Google Patents

Abstract

Zerstörungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Faserorientierung von elektrisch leitenden Wirrfasermaterialien, umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines Probenkörpers, der ein elektrisch leitendes Wirrfasermaterial aufweist,
- Bereitstellen einer Prüfvorrichtung zum Messen zumindest einer faserrichtungsabhängigen Messgröße,
- Scannen des Probenkörpers mittels der Prüfvorrichtung in mindestens vier voneinander verschiedenen Richtungen, so dass ein ortsaufgelöstes Messergebnis an einer Vielzahl von Messpunkten erhalten wird, wobei für jeden Messpunkt eine Faserhauptrichtung und eine Anisotropie, welche aus dem Verhältnis zumindest einer faserrichtungsabhängigen Eigenschaft in der Faserhauptrichtung zu zumindest einer faserrichtungsabhängigen Eigenschaft in einer zur Faserhauptrichtung senkrechten Faserquerrichtung bestimmt wird, ermittelt werden, und
- Berechnen einer als Vergleichsgröße dienenden gewichteten Anisotropie unter Verwendung der ermittelten Faserhauptrichtung und Anisotropie.

Description

• Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Faserorientierung von elektrisch leitenden Wirrfasermaterialien angegeben. Bei den Wirrfasermaterialien kann es sich beispielsweise um Nadelfliese oder um Faserverbundkunststoffe handeln.
• Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Verbundstrukturen und faserverstärkten Kunststoffen sind im Stand der Technik bekannt.
• Die Druckschrift DE 38 27 229 A1 beschreibt ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Halbzeugen und Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen mittels Wirbelstromsonden.
• In der Druckschrift DE 102 34 551 B3 ist ein Verfahren zur Detektion der Oxidation kohlenstoffhaltiger Fasern oder Faserbündel in Verbundwerkstoffen unter Anwendung des Wirbelstromverfahrens beschrieben.
• Weiterhin zeigen die folgenden Druckschriften Verfahren zur Bestimmung einer Faserorientierung:
• - BARDL, Georg [et al.]: Automated detection of yarn orientation in 3D-draped carbon fiber fabrics and preforms from eddy current data. In: Composites Part B, Vol. 96, 2016, S. 312-324.
• - EBERHARDT, Colin; CLARKE, Ashley: Fibre-orientation measurements in short-glass-fibre composites. Part I: automated, high-angular-resolution measurement by confocal microscopy. In: Composites Science and Technology, Vol. 61, 2001, S. 1389-1400.
• - HEUER, M. [et al.]: Review on quality assurance along the CFRP value chain
• - Nondestructive testing of fabrics, preforms and CFRP by HF radio wave techniques. In: Composites Part B, Vol. 77, 2015, S. 494-501
• Im Stand der Technik bekannte Verfahren zur Faserorientierungsmessung liefern Abtast-Bilder von Faserhauptrichtung oder der Anisotropie, deren Interpretation beim Betrachter liegt. Allerdings ergeben sich aus den Bildern nicht unmittelbar Rückschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften der gemessenen Proben. Die erhaltenen Bilder verschiedener Proben können nicht aussagekräftig miteinander verglichen werden.
• Es ist daher eine zu lösende Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen verschiedene Messungen einer oder mehrerer Proben auf eine einfache und zugleich objektive Art und Weise miteinander verglichen werden können, sodass beispielsweise eine Aussage zu den mechanischen Eigenschaften der gemessenen Proben gemacht werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung hervor.
• Gemäß einer Ausführungsform werden bei einem Verfahren zur Bestimmung der Faserorientierung von elektrisch leitenden Wirrfasermaterialien zumindest ein Probenkörper sowie eine Prüfvorrichtung bereitgestellt. Die Prüfvorrichtung kann insbesondere eine Prüfvorrichtung zum Messen zumindest einer faserrichtungsabhängigen Messgröße sein. Faserrichtungsabhängige Messgrößen können z.B. Steifigkeiten und Leitfähigkeiten bzw. E-Module und Impedanzwerte sein. Bei dem Verfahren handelt es sich vorzugsweise um ein zerstörungsfreies Verfahren, bei dem der Probenkörper nicht beschädigt wird. Der Probenkörper weist vorzugsweise ein elektrisch leitendes Wirrfasermaterial auf. Beispielsweise kann es sich bei dem Probenkörper um ein Nadelvlies oder um ein Faserverbundkunststoff, wie z.B. ein sogenanntes Sheet Molding Compound (SMC), handeln.
• Der Probenkörper wird mittels der Prüfvorrichtung in mindestens vier voneinander verschiedenen Richtungen gescannt. Dieses Scannen in mindestens vier voneinander verschiedenen Richtungen kann hier und im Folgenden auch als Durchführen von mindestens vier Einzelmessungen bezeichnet werden. Die Prüfvorrichtung kann z.B. eine Wirbelstrom-Prüfvorrichtung oder eine Ultraschall-Prüfvorrichtung sein.
• Das Scannen des Probenkörpers mit der Prüfvorrichtung kann z.B. durch ein Transmissionswirbelstromverfahren oder durch ein Ultraschallverfahren erfolgen. Vorzugsweise wird der Probenkörper derart gescannt, dass ein ortsaufgelöstes Messergebnis an einer Vielzahl von Messpunkten erhalten wird, wobei für jeden Messpunkt die Faserhauptrichtung φ und die Anisotropie a ermittelt werden. Bei der Faserhauptrichtung φ handelt es sich vorzugsweise um die Richtung der höchsten elektrischen Leitfähigkeit und/oder des höchsten Elastizitätsmoduls an einem bestimmten Messpunkt. Beispielsweise kann als Ergebnis der Messung mittels der Prüfvorrichtung an einem jedem Messpunkt ein Polardiagramm ermittelt werden, welchem die Faserhauptrichtung φ, z.B. durch Vektoraddition der zumindest vier Einzelmessungen, an dem jeweiligen Messpunkt entnommen werden kann. Die Anisotropie a an einem bestimmten Messpunkt wird vorzugsweise aus dem Verhältnis zumindest einer faserrichtungsabhängigen Eigenschaft in der Faserhauptrichtung zu zumindest einer faserrichtungsabhängigen Eigenschaft in einer zur Faserhauptrichtung senkrechten Faserquerrichtung bestimmt. Weiterhin wird eine gewichtete Anisotropie a_g unter Verwendung der ermittelten Faserhauptrichtung φ und der Anisotropie a berechnet. Diese gewichtete Anisotropie a_g kann als Vergleichsgröße herangezogen werden, um verschiedene Messungen aussagekräftig miteinander zu vergleichen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die gewichtete Anisotropie a_g durch Multiplikation der Anisotropie a mit einem Faserorientierungstensor i berechnet.
• Der Faserorientierungstensor i kann z.B. wie folgt berechnet werden: $$i=\left(\begin{array}{cc}co{s}^2\left(\phi \right)& \text{cos}\left(\phi \right)\text{sin}\left(\phi \right)\\ \text{cos}\left(\phi \right)\text{sin}\left(\phi \right)& si{n}^2\left(\phi \right)\end{array}\right).$$

  
• Die Anisotropie a kann z.B. wie folgt berechnet werden: $$a=\frac{I_{max}-I_{min}}{\overline{I}},$$

  

  wobei „I_max“ der maximale Impedanzwert, „I_min“ der minimale Impedanzwert, und „I“ der Mittelwert der Impedanzwerte der zumindest vier Einzelmessungen ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der an jedem Messpunkt ermittelten Faserhauptrichtung φ und bei der an jedem Messpunkt ermittelten Anisotropie a jeweils um Werte, die über eine Dicke des Probenkörpers gemittelt sind.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird beim Scannen des Probenkörpers für jeden Messpunkt weiterhin das Flächengewicht fg ermittelt. Besonders bevorzugt wird weiterhin ein Steifigkeitstensor s unter Verwendung der gewichteten Anisotropie und des Flächengewichts, insbesondere durch Multiplikation der gewichteten Anisotropie mit dem Flächengewicht, berechnet.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Steifigkeitstensor s wie folgt berechnet: $$s=a\cdot \left(\begin{array}{cc}co{s}^2\left(\phi \right)& \text{cos}\left(\phi \right)\text{sin}\left(\phi \right)\\ \text{cos}\left(\phi \right)\text{sin}\left(\phi \right)& si{n}^2\left(\phi \right)\end{array}\right)\cdot ƒg.$$

  
• Es hat sich gezeigt, dass sich durch einen derart berechneten Steifigkeitstensor s eine besonders aussagekräftige Kerngröße bilden lässt, mittels der verschiedene Messungen optimal miteinander verglichen werden können. Die Korrelation mit den mechanischen Eigenschaften der Probenkörper ist besonders hoch.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Scannen des Probenkörpers in vier voneinander verschiedenen Richtungen, insbesondere in den Richtungen 0°, 45°, 90° und 135°. Besonders bevorzugt kann das Scannen des Probenkörpers mittels der Prüfvorrichtung in einer oder mehreren weiteren, jeweils voneinander verschiedenen Richtungen erfolgen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in einem ausgewählten Probenbereich, der auch als „Region of Interest“ (ROI) bezeichnet werden kann, ein Mittelwert der berechneten gewichteten Anisotropie a_g ermittelt. Beispielsweise kann die an verschiedenen Messpunkten innerhalb des ausgewählten Probenbereichs berechnete gewichteten Anisotropie a_g über diese Messpunkte gemittelt werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in einem ausgewählten Probenbereich, der auch als „Region of Interest“ (ROI) bezeichnet werden kann, die Standardabweichung und/oder die Varianz der berechneten gewichteten Anisotropie a_g ermittelt. Beispielsweise kann die Standardabweichung und/oder die Varianz der an verschiedenen Messpunkten innerhalb des ausgewählten Probenbereichs berechneten gewichteten Anisotropie a_g gebildet werden.
• Durch das hier beschriebene Verfahren kann mithilfe der berechneten gewichteten Anisotropie a_g bzw. des Steifigkeitstensors s ein aussagekräftige Kenngröße erhalten werden, welche mit den mechanischen Eigenschaften der gemessenen Probenkörper korreliert und einen Vergleich verschiedener Messungen ermöglicht.
• Weitere Vorteile des hier beschriebenen Verfahrens ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit der 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zur Bestimmung der Faserorientierung von elektrisch leitenden Wirrfasermaterialien gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt A zumindest ein Probenkörper, der ein elektrisch leitendes Wirrfasermaterial aufweist, und eine Wirbelstrom-Prüfvorrichtung bereitgestellt. Bei dem Probenkörper kann es sich z.B. um ein Nadelvlies oder um ein Faserverbundstoff, wie z.B. ein Sheet Molding Compound, handeln. Die Wirbelstrom-Prüfvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest zwei Wirbelstromsonden. Besonders bevorzugt ist die Wirbelstrom-Prüfvorrichtung zur Messung mittels des Transmissionswirbelstromverfahrens geeignet.
• Anschließend wird im Verfahrensschritt B der Probenkörper mittels der Wirbelstrom-Prüfvorrichtung gescannt, vorzugsweise in mindestens vier voneinander verschiedenen Richtungen, so dass ein ortsaufgelöstes Messergebnis an einer Vielzahl von Messpunkten erhalten wird. Dabei werden vorzugsweise für jeden Messpunkt eine Faserhauptrichtung φ und eine Anisotropie a, welche aus dem Verhältnis zumindest einer faserrichtungsabhängigen Eigenschaft in der Faserhauptrichtung zu zumindest einer faserrichtungsabhängigen Eigenschaft in einer zur Faserhauptrichtung senkrechten Faserquerrichtung bestimmt wird, ermittelt. Das Scannen in den mindestens vier verschiedenen Richtungen kann z.B. in den Richtungen 0°, 45°, 90° und 135° erfolgen. Weiterhin ist es möglich, den Probenkörper in mehr als vier voneinander verschiedenen Richtungen zu scannen.
• Im darauffolgenden Verfahrensschritt C wird die als Vergleichsgröße dienende gewichtete Anisotropie a_g unter Verwendung der ermittelten Faserhauptrichtung φ und, der Anisotropie a berechnet. Besonders bevorzugt wird die gewichtete Anisotropie a_g mittels folgender Formel berechnet: $$a_g=a\cdot \left(\begin{array}{cc}co{s}^2\left(\phi \right)& \text{cos}\left(\phi \right)\text{sin}\left(\phi \right)\\ \text{cos}\left(\phi \right)\text{sin}\left(\phi \right)& si{n}^2\left(\phi \right)\end{array}\right).$$

  
• Die Anisotropie a kann z.B. unter Verwendung des maximalen und des minimalen Impedanzwertes sowie des eines gemittelten Impedanzwertes der vier Einzelmessungen bestimmt werden.
• Weiterhin kann in einem ausgewählten Probenbereich ein Mittelwert der berechneten gewichteten Anisotropie a_g und/oder die Standardabweichung bzw. Varianz der berechneten gewichteten Anisotropie a_g gebildet werden.
• Darüber kann zu jedem Messpunkt das Flächengewicht fg ermittelt werden und ein Steifigkeitstensor s durch Multiplikation der gewichteten Anisotropie a_g mit dem Flächengewicht fg, berechnet werden.
• Alternativ oder zusätzlich kann das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen.
• Bezugszeichenliste

A - C

Verfahrensschritte

Claims (11)

1. Zerstörungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Faserorientierung von elektrisch leitenden Wirrfasermaterialien, umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Probenkörpers, der ein elektrisch leitendes Wirrfasermaterial aufweist, - Bereitstellen einer Prüfvorrichtung zum Messen zumindest einer faserrichtungsabhängigen Messgröße, - Scannen des Probenkörpers mittels der Prüfvorrichtung in mindestens vier voneinander verschiedenen Richtungen, so dass ein ortsaufgelöstes Messergebnis an einer Vielzahl von Messpunkten erhalten wird, wobei für jeden Messpunkt eine Faserhauptrichtung und eine Anisotropie, welche aus dem Verhältnis zumindest einer faserrichtungsabhängigen Eigenschaft in der Faserhauptrichtung zu zumindest einer faserrichtungsabhängigen Eigenschaft in einer zur Faserhauptrichtung senkrechten Faserquerrichtung bestimmt wird, ermittelt werden, und - Berechnen einer als Vergleichsgröße dienenden gewichteten Anisotropie unter Verwendung der ermittelten Faserhauptrichtung und Anisotropie.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Scannen des Probenkörpers mittels eines Transmissionswirbelstromverfahrens erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Scannen des Probenkörpers mittels eines Ultraschallverfahrens erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gewichtete Anisotropie durch Multiplikation der Anisotropie mit einem Faserorientierungstensor berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Faserorientierungstensor i wie folgt berechnet wird: $$i=\left(\begin{array}{cc}co{s}^2\left(\phi \right)& \text{cos}\left(\phi \right)\text{sin}\left(\phi \right)\\ \text{cos}\left(\phi \right)\text{sin}\left(\phi \right)& si{n}^2\left(\phi \right)\end{array}\right)$$

   

   wobei „φ“ die Faserhauptrichtung bezeichnet.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anisotropie a wie folgt berechnet wird: $$a=\frac{I_{max}-I_{min}}{\overline{I}}$$

   

   wobei „I_max“ der maximale Impedanzwert, „I_min“ der minimale Impedanzwert, und „I“ der Mittelwert der Impedanzwerte der zumindest vier Einzelmessungen ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die an jedem Messpunkt ermittelte Faserhauptrichtung und Anisotropie über eine Dicke des Probenkörpers gemittelte Werte sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Scannen des Probenkörpers für jeden Messpunkt weiterhin das Flächengewicht ermittelt wird, und wobei ein Steifigkeitstensor unter Verwendung der gewichteten Anisotropie und des Flächengewichts, insbesondere durch Multiplikation der gewichteten Anisotropie mit dem Flächengewicht, ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Scannen des Probenkörpers in vier voneinander verschiedenen Richtungen, insbesondere in den Richtungen 0°, 45°, 90° und 135°, erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ausgewählten Probenbereich ein Mittelwert der berechneten gewichteten Anisotropie ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ausgewählten Probenbereich die Standardabweichung und/oder Varianz der berechneten gewichteten Anisotropie ermittelt wird.

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