DE102016208599A1 - Non-destructive method for determining the fiber orientation of carbon fiber reinforced materials - Google Patents
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Abstract
Es wird ein zerstörungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Faserorientierung von kohlefaserverstärkten Materialien angegeben. Bei dem Verfahren werden ein Probenkörper, der ein kohlefaserverstärktes Material aufweist, und eine Wirbelstrom-Prüfvorrichtung bereitgestellt. Es wird ein zu scannender Flächenbereich des Probenkörpers definiert. Anschließend werden zumindest vier Flächenscans des Flächenbereichs mit jeweils voneinander verschiedenen Sensorstellungen durchgeführt, so dass für jeden Flächenscan an einer Vielzahl von Messpunkten Impedanzwerte erhalten werden. Weiterhin werden die ermittelten Impedanzwerte aufgezeichnet. Danach kann ein beliebig großer Teilflächenbereich des Flächenbereichs ausgewählt werden. Die einzelnen Impedanzwerte der in dem Teilflächenbereich liegenden Messpunkte werden für jeden der vier Flächenscans gemittelt und es wird eine grafische Darstellung basierend auf den Impedanz-Mittelwerten erstellt.A nondestructive method for determining the fiber orientation of carbon fiber reinforced materials is given. In the method, a specimen having a carbon fiber reinforced material and an eddy current test apparatus are provided. A surface area of the specimen to be scanned is defined. Subsequently, at least four surface scans of the surface area are carried out with mutually different sensor positions, so that impedance values are obtained for each area scan at a multiplicity of measuring points. Furthermore, the determined impedance values are recorded. Thereafter, an arbitrarily large partial area of the area can be selected. The individual impedance values of the measurement points located in the subarea area are averaged for each of the four area scans, and a graph is generated based on the impedance averages.
Description
Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Faserorientierung von kohlefaserverstärkten Materialien angegeben. Bei den kohlefaserverstärkten Materialien kann es sich beispielsweise um sogenannte Sheet Molding Compounds (SMC) handeln. A method is provided for determining the fiber orientation of carbon fiber reinforced materials. The carbon fiber reinforced materials may be, for example, so-called sheet molding compounds (SMC).
Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Verbundstrukturen und faserverstärkten Kunststoffen sind im Stand der Technik bekannt. Methods for non-destructive testing of composite structures and fiber reinforced plastics are known in the art.
Die Druckschrift
In der Druckschrift
Weiterhin ist im Stand der Technik bekannt, dass lokal an ausgesuchten Stellen eines Probenkörpers Polardiagramme durch eine Sensordrehung erstellt werden können. Anhand dieser Polardiagramme kann die Faserorientierung erkannt werden. Die Richtung höchster Leitfähigkeit wird im Polardiagramm normalerweise als maximaler Ausschlag dargestellt. Bei den Sensoren handelt es sich hierbei gewöhnlicherweise um richtungsabhängige Differenzsonden. Furthermore, it is known in the art that locally at selected locations of a sample body polar diagrams can be created by a sensor rotation. On the basis of these polar diagrams the fiber orientation can be recognized. The direction of highest conductivity is usually represented in the polar diagram as the maximum deflection. The sensors are usually direction-dependent differential probes.
Allerdings dauert es durch die lokale Erzeugung von Polardiagrammen sehr lange, einen größeren Flächenbereich, wie z.B. eine ganze Platte, bezüglich der Faserorientierung zu analysieren. However, by the local generation of polar diagrams, it takes a very long time to cover a larger area, e.g. a whole plate, to analyze the fiber orientation.
Darüber hinaus gibt es ein weiteres Verfahren, mit dem Flächenscans in unterschiedlichen Sensorstellungen durchgeführt werden. Dabei werden sogenannte C-Scans einer ganzen Probe dargestellt und anhand der Messwerte die lokale Anisotropie und Richtungsvektoren der Fasern berechnet. Dies kann anhand des C-Scans über die ganze Probenfläche dargestellt werden. In addition, there is another method by which surface scans are performed in different sensor positions. In the process, so-called C-scans of a whole sample are displayed and the measured values are used to calculate the local anisotropy and directional vectors of the fibers. This can be represented by the C-scan over the entire sample surface.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Darstellung eines Richtungsvektors nicht immer der Realität entspricht. Beispielsweise stellt bei einem Gelegeaufbau von 0°-Lagen und 90°-Lagen der resultierende Richtungsvektor einen Winkel von 45° dar. Bezogen auf die richtungsabhängigen Steifigkeitskennwerte eines solchen Aufbaus ist diese Faserorientierung nicht korrekt. Gleiches gilt auch für CF-SMC („SMC“, Sheet Molding Compound) bzw. CFK-Pressmassen. However, this method has the disadvantage that the representation of a direction vector does not always correspond to reality. For example, for a 0 ° sheet and 90 ° sheet build up, the resulting directional vector is at 45 °. With respect to the directional stiffness characteristics of such a build, this fiber orientation is not correct. The same applies to CF-SMC ("SMC", Sheet Molding Compound) or CFRP molding compounds.
Es ist daher eine zu lösende Aufgabe, ein Verfahren zur Bestimmung der Faserorientierung von kohlefaserverstärkten Materialien anzugeben, mittels dessen mit geringem Zeitaufwand ganze Flächenbereiche von kohlefaserverstärkten Probekörpern analysiert werden können. It is therefore an object to be solved to provide a method for determining the fiber orientation of carbon fiber reinforced materials, by means of which entire surface areas of carbon fiber reinforced specimens can be analyzed with little expenditure of time.
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. This object is achieved by a method according to the independent claim. Advantageous embodiments and further developments will become apparent from the dependent claims, the following description and the drawings.
Gemäß einer Ausführungsform werden bei einem Verfahren zur Bestimmung der Faserorientierung von ein Probenkörper und eine Prüfvorrichtung, insbesondere eine Prüfvorrichtung zum Bestimmen zumindest eines faserrichtungsabhängigen Parameters, bereitgestellt. Bei dem Probenkörper handelt es sich vorzugsweise um einen Probenkörper, der ein Faserverbundstoff aufweist. Beispielsweise kann der Probenkörper ein kohlefaserverstärktes Material aufweisen. Bei der Prüfvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Wirbelstrom-Prüfvorrichtung. According to one embodiment, in a method for determining the fiber orientation of a sample body and a test apparatus, in particular a test apparatus for determining at least one fiber-direction-dependent parameter are provided. The specimen is preferably a specimen having a fiber composite. For example, the specimen may comprise a carbon fiber reinforced material. The test apparatus is preferably an eddy current test apparatus.
Bei dem Verfahren wird ein zu scannender Flächenbereich des Probenkörpers definiert. Der Flächenbereich kann beispielsweise ein Teilbereich des Probenkörpers bzw. der Oberfläche des Probenkörpers sein. Alternativ kann der Flächenbereich beispielsweise auch eine vollständige Oberflächenseite eines Probenkörpers, beispielsweise eine vollständige Oberflächenseite eines plattenförmigen Probenkörpers, sein. Es werden zumindest vier Flächenscans des Flächenbereichs durchgeführt, sodass für jeden Flächenscan an einer Vielzahl von Messpunkten Impedanzwerte erhalten werden. Die Impedanzwerte umfassen jeweils einen Realteil und einen Imaginärteil. Vorzugsweise werden die vier Flächenscans in jeweils voneinander verschiedenen Richtungen durchgeführt. Beispielsweise können die Flächenscans nacheinander mit jeweils voneinander verschiedenen Sensorstellungen der Wirbelstrom-Prüfvorrichtung durchgeführt werden. Vorzugsweise umfasst die Wirbelstrom-Prüfvorrichtung zwei Spulen, wobei sich bei jedem der vier Flächenscans die Ausrichtung der Spulen bzw. die Anordnung der Spulen zueinander in Bezug auf die Scanrichtung unterscheidet. In the method, a surface area of the sample body to be scanned is defined. The surface area may, for example, be a partial area of the sample body or of the surface of the sample body. Alternatively, the surface area may for example also be a complete surface side of a sample body, for example a complete surface side of a plate-shaped sample body. At least four area scans of the surface area are performed so that impedance values are obtained for each area scan at a plurality of measurement points. The impedance values each include a real part and an imaginary part. Preferably, the four area scans are performed in mutually different directions. For example, the surface scans can be performed successively with mutually different sensor positions of the eddy current testing device. Preferably, the eddy current testing device comprises two coils, wherein in each of the four surface scans the orientation of the coils or the arrangement of the coils differ from one another with respect to the scanning direction.
Die ermittelten Impedanzwerte werden aufgezeichnet bzw. gespeichert, beispielsweise separat für jeden der Flächenscans. Insbesondere können die Realteile und Imaginärteile der Impedanzwerte gespeichert werden. Dadurch erhält man z.B. für jeden Flächenscan eine „Impedanzpunktewolke“, in welcher die Impedanzwerte der einzelnen Messpunkte bzw. die Realteile und Imaginärteile der Impedanzwerte der einzelnen Messpunkte dargestellt sind. The determined impedance values are recorded or stored, for example separately for each of the area scans. In particular, the real parts and imaginary parts of the impedance values can be stored. This gives e.g. for each area scan, an "impedance point cloud" in which the impedance values of the individual measurement points or the real parts and imaginary parts of the impedance values of the individual measurement points are shown.
Die Impedanzwerte können beispielsweise durch eine Rechnereinheit aufgezeichnet werden. Die Rechnereinheit kann z.B. Teil der Wirbelstrom-Prüfvorrichtung sein. Alternativ können die Rechnereinheit und die Wirbelstrom-Prüfvorrichtung auch getrennt voneinander ausgeführt sein. The impedance values can be recorded, for example, by a computer unit. The computer unit may be part of the eddy current testing device, for example. Alternatively, the computer unit and the eddy current testing device can also be implemented separately from one another.
Nach dem Aufzeichnen bzw. Speichern der Impedanzwerte kann ein beliebig großer Teilflächenbereich des Flächenbereichs ausgewählt werden. Der Teilflächenbereich kann hier und im Folgenden auch als „Region of Interest“ bzw. „ROI“ bezeichnet werden Vorteilhafterweise kann zwischen dem Durchführen des Flächenscans und dem Auswählen des Teilflächenbereichs bzw. zwischen dem Aufzeichnen der Impedanzwerte und dem Auswählen des Teilflächenbereichs ein beliebig großer Zeitraum liegen. Durch das Aufzeichnen der Vielzahl von Impedanzwerten kann auch mit einem großen zeitlichen Abstand ein Teilflächenbereich definiert werden. After recording or storing the impedance values, an arbitrarily large partial area of the area can be selected. The partial surface area may here and below also be referred to as "region of interest" or "ROI". Advantageously, there may be an arbitrarily large time interval between performing the area scan and selecting the partial area or between recording the impedance values and selecting the partial area , By recording the plurality of impedance values, a partial area can also be defined with a large time interval.
Nach dem Auswählen des Teilflächenbereichs werden die einzelnen Impedanzwerte der Messpunkte, welche in dem ausgewählten Teilflächenbereich liegen, für jeden der vier Flächenscans gemittelt. Beispielsweise können getrennt voneinander die Imaginärteile und Realteile der Impedanzwerte für jeden der vier Flächenscans gemittelt werden, sodass pro Flächenscan ein Imaginärteil-Mittelwert und ein Realteil-Mittelwert erhalten wird. Alternativ können beispielsweise auch nur die Imaginärteile der Impedanzwerte für jeden der vier Flächenscans gemittelt werden. After selecting the patch area, the individual impedance values of the measurement points lying in the selected patch area are averaged for each of the four area scans. For example, the imaginary parts and real parts of the impedance values can be separately averaged for each of the four area scans so that an imaginary part average and a real part average value are obtained per area scan. Alternatively, for example, only the imaginary parts of the impedance values may be averaged for each of the four area scans.
Weiterhin wird eine grafische Darstellung basierend auf den Impedanz-Mittelwerten, insbesondere basierend auf den vier Mittelwerten bzw. basierend auf den vier Imaginärteil-Mittelwerten und/oder vier Realteil-Mittelwerten erstellt. Durch die grafische Darstellung lässt sich besonders einfach eine Aussage über die Faserorientierungen in einem Probenkörper bzw. über die mechanischen Eigenschaften des Probenkörpers machen. Bei der grafischen Darstellung kann es sich beispielsweise um ein Polardiagramm handeln. Furthermore, a graphical representation based on the impedance averages, in particular based on the four mean values or based on the four imaginary part averages and / or four real part averages is created. The graphical representation makes it particularly easy to make a statement about the fiber orientations in a sample body or about the mechanical properties of the sample body. The graphical representation may be, for example, a polar diagram.
Mithilfe des Polardiagramms können vorteilhafterweise mehrere Richtungen innerhalb eines Teilflächenbereichs dargestellt werden, ohne dass es zu einer Fehlinterpretation kommen kann. With the aid of the polar diagram, it is advantageously possible to display a plurality of directions within a sub-area without the possibility of a misinterpretation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden zur Erstellung der grafischen Darstellung die Mittelwerte der Imaginärteile der ermittelten Impedanzwerte verwendet. Vorzugsweise wird die Wirbelstrom-Prüfvorrichtung vor der Messung bzw. vor dem Durchführen der Flächenscans auf einem Referenzkörper, insbesondere auf einem Graphitreferenzkörper, kompensiert bzw. kalibriert. Dadurch kann z.B. gewährleistet werden, dass die Imaginärteile der Impedanzwerte bei dem zu untersuchendem CFK-Material Auskunft über die Faserorientierung geben. In accordance with a further embodiment, the mean values of the imaginary parts of the determined impedance values are used to generate the graphical representation. Preferably, the eddy current testing device is compensated or calibrated before the measurement or before the surface scans are performed on a reference body, in particular on a graphite reference body. Thereby, e.g. It can be ensured that the imaginary parts of the impedance values in the CFRP material to be examined give information about the fiber orientation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst jeder der vier Flächenscans eine Vielzahl von Einzelscans. Beispielsweise können die einzelnen Messpunkte der Einzelscans jeweils einen Abstand von 0,5 mm bis 1,5 mm, bevorzugt von 1,0 mm, zum nächsten Messpunkt aufweisen. Beispielsweise kann der Flächenbereich bei jedem der vier Flächenscans mäanderförmig ab gescannt werden. Dadurch lässt sich der Flächenbereich besonders effektiv scannen. According to another embodiment, each of the four area scans includes a plurality of individual scans. For example, the individual measuring points of the individual scans can each have a distance of 0.5 mm to 1.5 mm, preferably of 1.0 mm, to the next measuring point. For example, the surface area can be scanned meander-shaped at each of the four area scans. This makes it possible to scan the surface area particularly effectively.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Prüfvorrichtung bzw. die Wirbelstrom-Prüfvorrichtung einen Halbtransmissionssensor, insbesondere einen richtungsabhängigen Halbtransmissionssensor, auf. According to a further embodiment, the test device or the eddy current testing device has a semi-transmission sensor, in particular a direction-dependent semi-transmission sensor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die vier Flächenscans mit den Sensorstellungen 0°, –45°, 45° und 90° durchgeführt. Vorzugsweise bedeutet eine Sensorstellung von 0°, dass die zwei Spulen der Wirbelstrom-Prüfvorrichtung entlang der Scanrichtung zueinander angeordnet sind. Eine Sensorstellung von 90° bedeutet vorzugsweise, dass die zwei Spulen der Wirbelstrom-Prüfvorrichtung senkrecht zur Scanrichtung angeordnet sind. According to a further embodiment, the four surface scans are performed with the
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die vier Flächenscans jeweils mit einer oder mehreren weiteren Frequenzen wiederholt und die dabei ermittelten Impedanzwerte aufgezeichnet. Beispielsweise können die Flächenscans mit Frequenzen zwischen 1 MHz und 15 MHz durchgeführt werden. According to a further embodiment, the four area scans are respectively repeated with one or more further frequencies and the impedance values determined thereby are recorded. For example, the area scans can be performed with frequencies between 1 MHz and 15 MHz.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren können, insbesondere auch mit einem zeitlichen Abstand zum Durchführen der Flächenscans, beliebig viele und beliebig große Teilflächenbereich hier definiert und zugehörige Polardiagramme erzeugt werden. Dadurch erhält man vorteilhafterweise mit geringem Zeitaufwand gute Informationen über die Faserorientierungen eines Probenkörpers. With the method described here, in particular also with a time interval for performing the area scans, any number of arbitrarily large sub-area areas can be defined here and associated polar diagrams can be generated. This advantageously provides good information about the fiber orientations of a sample body in a short time.
Weitere Vorteile des hier beschriebenen Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den
Weiterhin kann, insbesondere auch mit einem zeitlichen Abstand, ein weiterer beliebig großer Teilflächenbereich des Flächenbereichs ausgewählt werden, und die einzelnen Impedanzwerte der in dem weiteren Teilflächenbereich liegenden Messpunkte für jeden der vier Flächenscans gemittelt werden, und eine weitere grafische Darstellung, insbesondere ein weiteres Polardiagramm, basierend auf diesen vier Mittelwerten erstellt werden. Dieser Vorgang kann beliebig oft für weitere Teilflächenbereiche des Flächenbereichs wiederholt werden. Furthermore, in particular also with a time interval, a further arbitrarily large subarea region of the surface region can be selected, and the individual impedance values of the measuring points lying in the further subarea region are averaged for each of the four surface scans, and a further graphical representation, in particular a further polar diagram, based on these four means. This process can be repeated as often as desired for further partial surface areas of the surface area.
In der
Die
Alternativ oder zusätzlich können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen. Alternatively or additionally, the embodiments shown in the figures may have further features according to the embodiments of the general description.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100 100
- Verfahren method
- A–G A-G
- Verfahrensschritte steps
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 3827229 A1 [0003] DE 3827229 A1 [0003]
- DE 10234551 B3 [0004] DE 10234551 B3 [0004]
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2016
- 2016-05-19 DE DE102016208599.9A patent/DE102016208599A1/en active Pending
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