DE102017221821A1

DE102017221821A1 - Messanordnung zum Messen von Prozess- und Strukturparametern eines Faserverbundmaterials entlang einer Messstrecke

Info

Publication number: DE102017221821A1
Application number: DE102017221821.5A
Authority: DE
Inventors: Christopher Buchmann; Henning Becker; Richard Hesse; Andreas Meyer-Giesow; Christian Weimer
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-06-06
Also published as: CN109870483A; CA3026386A1; EP3502645A1; US10955371B2; US20190170674A1

Abstract

Eine Messanordnung (1) zum Messen von Prozess- und Strukturparametern eines Faserverbundmaterials entlang einer Messstrecke umfasst ein Fasermaterial (2); ein Matrixmaterial, von welchem das Fasermaterial (2) zumindest bereichsweise umgeben ist; und ein elektrisches Sensorelement (5), welches zumindest zwei miteinander verdrillte Signalübertragungsleitungen (6) aufweist, die entlang der Messstrecke in und/oder an dem Fasermaterial (2) derart ausgerichtet sind, dass die Signalübertragungsleitungen (6) zumindest abschnittsweise von dem Matrixmaterial umgeben werden, wobei das elektrische Sensorelement (5) dazu ausgebildet ist, die Prozess- und Strukturparameter anhand des Verhaltens von elektromagnetischen Signalen zu messen, die in die Signalübertragungsleitungen (6) eingespeist werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Messen von Prozess- und Strukturparametern eines Faserverbundmaterials entlang einer Messstrecke.
Obwohl in vielfältigen Anwendungen einsetzbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Faserverbundbauteile für Luftfahrzeuge näher erläutert. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können jedoch ebenso für allgemeine Faserverbundbauteile für unterschiedlichste Anwendungen genutzt werden.
Im modernen Flugzeugbau kommen vermehrt Faserverbundmaterialien zum Einsatz wie beispielsweise kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFRP). Um Qualitätsanforderungen bei der Herstellung von Bauteilen aus derartigen Materialien zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, Prozess- und Strukturparameter des Herstellungsverfahrens möglichst genau zu überwachen, ohne dass sich dies auf die Qualität der Bauteile niederschlägt und/oder ohne dass die Herstellungskosten in die Höhe getrieben werden. Wichtige Prozess- und Strukturparameter umfassen beispielsweise einen Aushärtegrad bzw. eine Vernetzung eines Matrixmaterials, eine aktuelle Position einer Fließfront eines verflüssigten Matrixmaterials, potenzielle Schäden an einem Halbzeug und/oder einem Preform etc. Ein Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung derartiger Eigenschaften, z.B. insbesondere entlang eines linienförmigen Sensors, ist die elektrische Zeitbereichsreflektometrie (englisch: „Time-Domain Reflectometry“, TDR), vgl. beispielsweise die Druckschrift Buchmann et al., „Investigation of Electrical Time Domain Reflectometry for infusion and cure monitoring in combination with electrically conductive fibers and tooling materials,“ Composites Part B: Engineering, 94:389-398, 2016 (im Folgenden: Buchmann).
TDR ist allgemein ein Verfahren zur Analyse von Lauflängen und Reflexionscharakteristika von elektromagnetischen Signalen auf Übertragungsleitungen. TDR basiert auf dem physikalischen Prinzip, wonach ein elektromagnetisches Signal, z.B. ein Spannungspuls, teilweise oder vollständig reflektiert wird, wenn dieses auf Bereiche in einem Medium trifft, welche unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen, z.B. Impedanzänderungen entlang einer Übertragungsleitung. Konkret dienen bei obigen TDR-Verfahren ein oder mehrere Übertragungsleitungen als linienförmige Sensoren an und/oder in einem Faserverbundhalbzeug, um einen Infusions- oder Injektionsprozess eines Matrixmaterials zu überwachen. Hierbei verändert das eingeleitete Matrixmaterial die dielektrischen Eigenschaften entlang der Übertragungsleitung, was sich wiederum als Änderungen in dem Wellenwiderstand der Leitung bemerkbar macht. Wird nun ein Spannungspuls in die Leitung eingespeist, so kann das Reflexionsverhalten bestimmt und analysiert werden und darauf aufbauend orts- und/oder zeitaufgelöst Rückschlüsse über den Infusionsprozess gewonnen werden.
Allerdings können elektrisch leitfähige Faser- und/oder Werkzeugmaterialien zu relevanten Verlusteffekten führen, welche wiederum die Messung beeinträchtigen können. Zur Kompensation wird mitunter vorgeschlagen, geschirmte Sensoren einzusetzen, z.B. kann eine geflochtene Schirmung um eine Übertragungsleitung verwendet werden, vgl. beispielsweise die Druckschriften EP 3 035 041 A1 , EP 3 035 042 A1 und EP 3 035 043 A1 . Hierdurch vergrößert sich allerdings der Querschnitt der Sensoren, was zu Einschränkungen hinsichtlich potenzieller Anwendungen führt, da die Sensoren unter anderem ein größeres Installationsvolumen benötigen.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, verbesserte Lösungen für die Überwachung von Prozess- und Strukturparametern von Faserverbundmaterialien zu finden, welche möglichst platzsparend, einfach und kostengünstig sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Demgemäß ist eine Messanordnung zum Messen von Prozess- und Strukturparametern eines Faserverbundmaterials entlang einer Messstrecke vorgesehen. Die Messanordnung umfasst ein Fasermaterial; ein Matrixmaterial, von welchem das Fasermaterial zumindest bereichsweise umgeben ist; und ein elektrisches Sensorelement, welches zumindest zwei miteinander verdrillte Signalübertragungsleitungen aufweist, die entlang der Messstrecke in und/oder an dem Fasermaterial derart ausgerichtet sind, dass die Signalübertragungsleitungen zumindest abschnittsweise von dem Matrixmaterial umgeben werden, wobei das elektrische Sensorelement dazu ausgebildet ist, die Prozess- und Strukturparameter anhand des Verhaltens von elektromagnetischen Signalen zu messen, die in die Signalübertragungsleitungen eingespeist werden.
Ferner ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Messanordnung zum Messen von Prozess- und Strukturparametern entlang einer Messstrecke während der Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen.
Ferner ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Messanordnung zum Messen von Prozess- und Strukturparametern entlang einer Messstrecke in einem Faserverbundbauteil vorgesehen.
Ferner ist ein Faserverbundbauteil vorgesehen mit einem Fasermaterial; einem Matrixmaterial, von welchem das Fasermaterial zumindest bereichsweise umgeben ist; und einem elektrischen Sensorelement, welches zumindest zwei miteinander verdrillte Signalübertragungsleitungen aufweist, die in und/oder an dem Fasermaterial derart ausgerichtet sind, dass die Signalübertragungsleitungen zumindest abschnittsweise von dem Matrixmaterial umgeben werden.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, verdrillte Leitungen bzw. Leiter als Sensoren zu verwenden. Verdrillte Leiter, z.B. Adernpaare (englisch: „Twisted Pairs“), bieten gegenüber parallel geführten Leitern oder Flachkabeln oder dergleichen einen besseren Schutz vor elektrischen und magnetischen Störfeldern, da sich deren Einflüsse aufgrund der abschnittsweise alternierenden Anordnung der Leiter herausmitteln. Aus diesem Grund sind Abschwächungseffekte bei Messungen unter Anwesenheit von elektrisch leitenden Werkstoffen deutlich geringer. Dies erlaubt Messungen mit einer höheren Genauigkeit und zudem die Auswertung längerer Sensorkabel zur Überwachung größerer Bereiche. Der zu überwachende Stoff, z.B. ein Kunstharz, kann die Leitungen vollständig umschließen und somit in das elektrische Feld um die Leiter eindringen, was zu Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften führt. Diese Veränderung (z.B. Luft gegenüber Harz oder flüssiges Harz gegenüber ausgehärtetem Harz) lässt sich ortsaufgelöst durch eine Analyse der Reflexions- und/oder Transmissionscharakteristika der eingespeisten Signale erfassen, z.B. durch Auswertung einer Amplitude und/oder einer Laufzeit eines reflektierten Spannungsimpulses. Dies führt zu einer gesteigerten Prozesskontrolle aufgrund einer möglichen Erfassung beispielsweise einer Fließfront und/oder eines Aushärtegrads eines Matrixmaterials. Die Zuverlässigkeit von Produkten kann durch frühzeitige Erkennung von Defekten im Betrieb, z.B. Brüche oder Delaminationen, die zu Kabelbrüchen führen, verbessert werden. Die erfindungsgemäße Lösung benötigt keine zusätzliche Schirmung und ist somit platzsparend und miniaturisiert ausführbar, z.B. können Kupferlackdrähte mit sehr dünner Isolierung verwendet werden. Dies führt darüber hinaus dazu, dass der Einfluss des Sensors auf den Prozess bzw. auf das Bauteil verringert wird. Die Sensoren können an dem Fasermaterial angeordnet sein, z.B. unmittelbar anliegend an dem Fasermaterial. Alternativ können die Sensoren auch teilweise oder vollständig in das Fasermaterial integriert sein. Prinzipiell kann der Sensor nicht nur während des gesamten Herstellungsprozesses einschließlich Aushärtung und Endfertigung in dem Faserverbundbauteil verbleiben. Darüber hinaus kann der Sensor gezielt in dem Bauteil bei der späteren Verwendung weiter genutzt werden, z.B. zur Bauteilüberwachung oder dergleichen. Schlussendlich wird ein einfach zu handhabendes Messsystem (verdrillte Leitungen sind beispielsweise ohne großen Aufwand auch in gekrümmter Anordnung legbar) mit geringen Kosten und kleine Dimensionen (z.B. fehlt eine Abschirmung) bereitgestellt, welches dennoch eine effiziente und präzise Überwachung der Prozess- und Strukturparameter sicherstellt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Weiterbildung kann ferner ein Matrixmaterial-Einleitungssystem vorgesehen sein. Das Matrixmaterial-Einleitungssystem kann dazu ausgebildet sein, das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial zu tränken. Die Signalübertragungsleitungen können derart ausgerichtet sind, dass die Signalübertragungsleitungen bei der Einleitung des Matrixmaterials zumindest abschnittsweise von dem Matrixmaterial umgeben werden.
Gemäß einer Weiterbildung können die Signalübertragungsleitungen an dem Fasermaterial anliegen. Prinzipiell können die Signalübertragungsleitungen unmittelbar an dem Fasermaterial ohne dazwischenliegende, trennende Materialien anliegen. Ebenso ist es jedoch vorgesehen, dass sich trennende Materialschichten zwischen den Signalübertragungsleitungen und dem Fasermaterial befinden können, über welche die Signalübertragungsleitungen entsprechend an dem Fasermaterial anliegen. Beispielsweise kann das Fasermaterial mit einem Abreißgewebe und/oder einem vergleichbaren Trennmittel bedeckt sein, welches nach einer Aushärtung des Fasermaterials zu einem Faserverbundbauteil wieder entfernt wird. Ebenso können je nach konkret verwendetem Herstellungsverfahren beispielsweise Lochfolien und/oder Fließhilfen oder dergleichen vorgesehen sein, über welche die Signalübertragungsleitungen an dem Fasermaterial anliegen.
Gemäß einer Weiterbildung kann ein Formwerkzeug vorgesehen sein. Auf dem Formwerkzeug kann das Fasermaterial aufliegen. Die Signalübertragungsleitungen können hierbei zwischen dem Formwerkzeug und dem Fasermaterial angeordnet sein. Beispielsweise können die Signalübertragungsleitungen an dem Fasermaterial anliegen.
Gemäß einer Weiterbildung kann eine Fließhilfe vorgesehen sein. Auf der Fließhilfe kann das Fasermaterial aufliegen. Die Signalübertragungsleitungen können zwischen der Fließhilfe und dem Fasermaterial angeordnet sein. Beispielsweise können die Signalübertragungsleitungen an dem Fasermaterial anliegen. Die Fließhilfe kann hierbei beispielsweise dazu dienen, den Transport des Matrixmaterials, z.B. eines Harzes, zu unterstützen. Die Fließhilfe kann derart ausgebildet sein, dass diese auch unter Druck nicht kollabiert und so einen luft- und/oder flüssigkeitsdurchlässigen Raum zwischen einem Vakuumaufbau bzw. einer Vakuumfolie oder dergleichen und einer Form- bzw. Werkzeugoberfläche schafft. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Fasermaterial gleichmäßig mit Matrixmaterial getränkt wird. Die Fließhilfe kann direkt nach der Tränkung des Fasermaterials oder später nach einer Aushärtung des getränkten Fasermaterials zu einem Faserverbundbauteil entfernt werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann ein Vakuumaufbau vorgesehen sein. Der Vakuumaufbau kann die Messanordnung abdichten. Die Signalübertragungsleitungen können zwischen dem Vakuumaufbau und dem Fasermaterial angeordnet sein. Ein derartiger Vakuumaufbau kann beispielsweise eine Vakuumfolie umfassen, die das Fasermaterial samt Trennmitteln, Signalübertragungsleitungen, Fließhilfen, Trennschichten usw. luftdicht abdeckt. Randseitig kann eine derartige Vakuumfolie im Zusammenspiel mit einem (Ab-)Dichtband einen luftdichten Raum gegenüber einem Formwerkzeug abschließen, wobei ein Matrixmaterial-Einleitungssystem mit dem abgedichteten Raum in Verbindung steht, um vermittels eines Unter- bzw. Überdrucks einen Injektions- und/oder Infusionsprozess zu ermöglichen, mit Hilfe dessen ein Matrixmaterial in das Fasermaterial eingeleitet wird. Das elektrische Sensorelement der Erfindung kann somit in einen geschlossenen Werkzeugaufbau für die Herstellung eines Faserverbundbauteils integriert bzw. eingeschlossen werden. Somit kann der Herstellungsprozess überwacht werden, auch wenn der eigentlich Aufbau optisch nicht direkt einsehbarer ist.
Die Signalübertragungsleitungen können zwischen dem Vakuumaufbau und einer auf dem Fasermaterial aufliegenden Fließhilfe angeordnet sein. In dieser Weiterbildung wird das elektrische Sensorelement somit weder in das Faserverbundbauteil integriert, noch liegt es unmittelbar an dem Fasermaterial bzw. Faserverbundbauteil an. Vielmehr befindet sich eine Fließhilfe zwischen dem Sensorelement, d.h. den Signalübertragungsleitungen, und dem Fasermaterial, welche im weiteren Verlauf des Herstellungsverfahrens wieder entfernt wird. Nichtsdestotrotz gelangt das eingeleitete Matrixmaterial durch die Fließhilfe an die Signalübertragungsleitungen, sodass eine Messung der Eigenschaften des Matrixmaterials, z.B. eines Aushärtegrads und/oder einer Fließfrontposition, weiterhin möglich ist.
Gemäß einer Weiterbildung können die Signalübertragungsleitungen in das Fasermaterial integriert sein. Anders als bei der Verwendung von geschirmten Signalübertragungsleitungen bzw. elektrischen Sensorelementen nimmt die vorliegende Lösung nur sehr wenig Raum ein und kann in deutlich miniaturisierter Form bereitgestellt werden. Derart können die Signalübertragungsleitungen bzw. das elektrische Sensorelement je nach Ausführung ohne weiteres in ein Fasermaterial und letztendlich in ein Faserverbundbauteil integriert werden, ohne dass dessen Struktur in signifikanter Weise beeinflusst wird. Prinzipiell ist es darüber hinaus sogar möglich, Signalübertragungsleitungen gezielt in ein Faserverbundbauteil zu integrieren und derart zu konfigurieren, dass diese während des beabsichtigten Einsatzes des Faserverbundbauteils weiter nutzbar sind. In einem konkreten Beispiel können die integrierten Signalübertragungsleitungen bzw. das integrierte elektrische Sensorelement beispielsweise zur Strukturüberwachung des Faserverbundbauteil eingesetzt werden. Hierzu kann beispielweise vorgesehen sein, dass die Signalübertragungsleitungen randseitig von außerhalb des Faserverbundbauteils erreichbar sind, sodass eine elektrische Verbindung zu einer externen Mess- bzw. Steuereinrichtung möglich ist. In einer vorteilhaften Anwendung können die Signalübertragungsleitungen zur Überwachung einer Flugzeugstruktur genutzt werden, beispielsweise zur Überwachung von Strukturbauteilen in Verbund- oder Teilverbundbauweise, z.B. um Beschädigungen oder dergleichen festzustellen. Beispielsweise können die Signalübertragungsleitungen mit Sensoren, Detektoren, Antennen und/oder Steuereinrichtungen gekoppelt werden. Die Signalübertragungsleitungen können einerseits als Sensorelemente und andererseits schlichtweg als Übertragungsleitungen verwendet werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann das elektrische Sensorelement dazu ausgebildet sein, die Prozess- und Strukturparameter ortsaufgelöst entlang der Signalübertragungsleitungen zu messen.
Gemäß einer Weiterbildung können die Signalübertragungsleitungen entlang einer Ausbreitungsrichtung des Matrixmaterials in und/oder an dem Fasermaterial ausgerichtet sein.
Gemäß einer Weiterbildung können die Signalübertragungsleitungen entlang einer im Wesentlichen geraden Linie in und/oder an dem Fasermaterial ausgerichtet sein. Beispielsweise können die Signalübertragungsleitungen entlang einer im Wesentlichen geraden linearen Ausbreitungsrichtung ausgerichtet sein. In einem derartigen Aufbau kann somit beispielsweise einfach und effizient eine Fließfront des Matrixmaterials ortsaufgelöst nachvollzogen bzw. überwacht werden.
Gemäß einer Weiterbildung können die Signalübertragungsleitungen mäanderförmig in und/oder an dem Faserverbundhalbzeug ausgerichtet sein. In dieser Weiterbildung können die Signalübertragungsleitungen somit flächig angeordnet sein, d.h. die Messstrecke kann eine Fläche mehr oder weniger vollständig abdecken. In dieser Weiterbildung kann ein mehr oder weniger vollständiges Bild über die Eigenschaften des eingeleiteten Matrixmaterials über eine Fläche hinweg gewonnen werden.
Gemäß einer Weiterbildung können die Prozess- und Strukturparameter ausgewählt sein aus der Gruppe eines Aushärtegrads bzw. Vernetzungsgrad des Matrixmaterials, einer Fließfrontposition des Matrixmaterials, Fehlstellen des Fasermaterials oder des Matrixmaterials und Schäden des Fasermaterials oder des Matrixmaterials.
Gemäß einer Weiterbildung kann das elektrische Sensorelement zumindest drei miteinander verdrillte Signalübertragungsleitungen aufweisen. Insbesondere kann das elektrische Sensorelement genau drei miteinander verdrillte Signalübertragungsleitungen aufweisen. Prinzipiell sind jedoch ebenso vier, fünf und mehr verdrillte Signalübertragungsleitungen vorgesehen. Die zusätzlichen Signalübertragungsleitungen können für unterschiedliche Zwecke genutzt werden. Beispielsweise kann eine dritte Signalübertragungsleitung als redundante Leitung fungieren, über welche bei Ausfall einer der Leitungen weiterhin eine Messung möglich ist, z.B. bei einem Kabelbruch oder dergleichen.
Gemäß einer Weiterbildung können die Signalübertragungsleitungen als isolierte Einzeldrähte ausgebildet sein. Beispielsweise können die Signalübertragungsleitungen als isolierte Metalldrähte ausgebildet sein, z.B. Kupferlackdrähte, d.h. Kupferdrähte mit einer isolierenden Lackschicht.
Gemäß einer Weiterbildung können mehrere elektrische Sensorelemente vorgesehen sein. Prinzipiell ist es somit vorgesehen, mehrere Sensorelemente in eine Messanordnung, d.h. einen Aufbau zu der Herstellung eines Faserverbundbauteils, zu integrieren. Beispielsweise können mehrere linienförmige Sensorelemente vorgesehen sein, die in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sein können. Alternativ oder zusätzlich können mehrere linienförmige Sensorelemente vorgesehen sein, die in unterschiedlichen Lagen in einem Schichtaufbau bzw. Vakuumaufbau platziert sind, z.B. kann ein Sensorelement (bzw. dessen Signalübertragungsleitungen) an einem Fasermaterial unmittelbar anliegen oder in dieses integriert sein, während sich ein weiteres Sensorelement zwischen einer Vakuumfolie und einer Fließhilfe befindet. Somit kann beispielsweise ein Sensorelement in dem Faserverbundbauteil auch nach der Aushärtung verbleiben, während ein weiteres Sensorelement lediglich zur Überwachung der Herstellung dient und im Anschluss wieder entfernt wird. In einem weiteren Beispiel kann ein Sensorelement mit mäanderförmigen Signalübertragungsleitungen ausgebildet sein, während die Signalübertragungsleitungen eines weiteren Sensorelements geradlinig angeordnet sind.
Gemäß einer Weiterbildung kann eine Analyseeinrichtung vorgesehen sein. Die Analyseeinrichtung kann zur Steuerung des elektrischen Sensorelements ausgebildet sein. Die Analyseeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Prozess- und Strukturparameter mit dem elektrischen Sensorelement über elektrische Zeitbereichsreflektometrie (englisch: „Time-Domain Reflectometry“ bzw. „Electrical Time-Domain Reflectometry“, TDR oder E-TDR) oder elektrische Zeitbereichstransmissometrie (englisch: „Time-Domain Transmissometry“ bzw. „Electrical Time-Domain Transmissometry“, TDT bzw. E-TDT) oder dergleichen zu messen. Während bei der TDR bzw. E-TDR das Reflexionsverhalten von Signalimpulsen untersucht wird, befasst sich die TDT bzw. E-TDT mit dem Transmissionsverhalten von elektromagnetischen Impulsen bzw. Wellen. Ebenso sind weitere und/oder speziellere dem Fachmann bekannte Verfahren anwendbar bzw. einsetzbar, wie beispielsweise SSTDR (englisch: „Spread-Spectrum Time-Domain Reflectometry“) oder dergleichen.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu derjeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 schematische perspektivische Ansicht einer Messanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 schematische Ansicht eines elektrischen Sensorelements aus der Messanordnung in 1;
3 schematische Darstellung der Verwendung der Messanordnung aus 1; und
4 schematische perspektivische Ansicht eines Faserverbundbauteils mit dem elektrischen Sensorelement aus 2.

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Messanordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Messanordnung 1 dient zum Messen von Prozess- und Strukturparametern entlang einer Messstrecke während der Herstellung eines Faserverbundbauteils. Bei dem herzustellenden Faserverbundbauteil kann es sich beispielsweise um ein Bauteil eines Luft- oder Raumfahrzeugs handeln, z.B. ein Strukturbauteil eines Passagierflugzeugs wie ein Spant, Stringer usw. oder ein Verkleidungspaneel für eine Passagierkabine oder dergleichen. Zur Herstellung des Faserverbundbauteils wird ein Fasermaterial 2, insbesondere ein Faserhalbzeug, mit einem Matrixmaterial 4 getränkt und anschließend unter Beaufschlagung von Druck und/oder Temperatur ausgehärtet.
Die Messanordnung 1 umfasst hierzu ein Fasermaterial 2. Das Fasermaterial 2 kann beispielsweise ein Fasergelege, ein Preform oder eine entsprechende Anordnung aus Verstärkungsfasern sein, welche überdies vorimprägniert sein kann. Das Fasermaterial 2 ist auf bzw. in einem Formwerkzeug 8 angeordnet. Beispielsweise kann das Fasermaterial 2 Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern oder dergleichen umfassen. Die Messanordnung 1 umfasst ferner ein Matrixmaterial-Einleitungssystem 3. Das Matrixmaterial-Einleitungssystem 3 ist dazu ausgebildet, das Fasermaterial 2 mit einem Matrixmaterial 4 (vgl. 3) zur Bildung des Faserverbundbauteils zu tränken. Das Matrixmaterial 4 kann beispielsweise ein schmelzbarer, verflüssigbarer bzw. fließfähiger Kunststoff sein, beispielsweise ein Kunstharz oder dergleichen. Prinzipiell kann das Fasermaterial jedoch alternativ oder zusätzlich auch mit dem Matrixmaterial vorimprägniert sein. Entsprechend kann es sich bei dem Matrixmaterial-Einleitungssystem 3 um eine Harzzufuhr handeln, welche beispielsweise einen Angusskanal oder dergleichen aufweist, über welchen ein Harz in eine Ausbreitungsrichtung 11 eingeleitet werden kann. Hierbei kann beispielsweise ein Infusions- oder ein Injektionsverfahren zum Einsatz kommen, d.h. es wird ein Unterdruck bzw. Überdruck auf der Harzseite ausgenutzt, um das Harz in das Fasermaterial 2 zu verbringen. Das Fasermaterial 2 ist mit einer Fließhilfe 9 abgedeckt, welche sich wiederum unter einer Vakuumfolie 15 eines Vakuumaufbaus 10 befindet. Der Vakuumaufbau 10 umfasst des Weiteren ein Dichtband 14, über welches das Formwerkzeug 8 mit dem Fasermaterial 2 gegen die Vakuumfolie 15 abgedichtet wird. Über einen Vakuumanschluss 13 kann die Messanordnung 1, d.h. konkret der eingeschlossene Raum zwischen Vakuumfolie 15 und Formwerkzeug 8, evakuiert werden.
Die Messanordnung 1 umfasst ferner beispielhaft drei elektrische Sensorelemente 5, die unterschiedlich angeordnet sind. Jedes Sensorelement 5 weist zwei miteinander verdrillte Signalübertragungsleitungen 6 auf, welche jeweils geradlinig entlang der Ausbreitungsrichtung 11 des Matrixmaterials 4 ausgerichtet sind. 2 zeigt hierzu exemplarisch eines der Sensorelemente 5. Die Signalübertragungsleitungen 6 sind als elektrisch isolierte Einzeldrähte, z.B. Kupferlackdrähte, ausgebildet. Verdrillte Leiter bieten gegenüber parallel geführten Leitern oder Flachkabeln oder dergleichen einen besseren Schutz vor elektrischen und magnetischen Störfeldern, da sich deren Einflüsse aufgrund der abschnittsweise alternierenden Anordnung der Leiter herausmitteln. Somit eignen sich verdrillte Signalübertragungsleitungen 6 ideal in Verbindung mit elektrisch leitfähigen Faser- und/oder Werkzeugmaterialien, welche im Falle von einfachen Leitungen zu Stör- bzw. Verlusteffekten führen würden.
Die Signalübertragungsleitungen 6 bilden entlang ihrer Längsausdehnung eine Messstrecke an dem Fasermaterial 2 entlang, wobei die Signalübertragungsleitungen 6 derart ausgerichtet bzw. angeordnet sind, dass die Signalübertragungsleitungen 6 bei der Einleitung des Matrixmaterials 4 zumindest abschnittsweise von dem Matrixmaterial 4 umgeben werden. Hierzu sind die Sensorelemente 5 beispielhaft in drei unterschiedlichen Anordnungen platziert. Ein Sensorelement 5 ist mit seinen Signalübertragungsleitungen 6 zwischen dem Formwerkzeug 8 und dem Fasermaterial 2 an dem Fasermaterial 2 anliegend angeordnet. Ein weiteres Sensorelement 5 ist mit seinen Signalübertragungsleitungen 6 zwischen der Fließhilfe 9 und dem Fasermaterial 2 an dem Fasermaterial 2 anliegend angeordnet. Das dritte Sensorelement 5 befindet sich mit seinen Signalübertragungsleitungen 6 zwischen der Vakuumfolie 15 und der Fließhilfe 9. Alle drei Sensorelemente 5 sind derart angeordnet, dass die Signalübertragungsleitungen 6 nach und nach von eingeleitetem Matrixmaterial 4 umgeben bzw. umflossen werden. Hierdurch ändern sich die dielektrischen Eigenschaften um die Signalübertragungsleitungen 6, was sich wiederum auf den Wellenwiderstand, d.h. die Impedanz, der Signalübertragungsleitungen 6 auswirkt. Der Wellenwiderstand ist somit letztendlich eine Funktion des Ortes entlang der jeweiligen Signalübertragungsleitung 6. Diese Eigenschaft wird in der vorliegenden Ausführungsform dazu ausgenutzt, das Verhalten von Prozess- und Strukturparametern, insbesondere von Eigenschaften des Matrixmaterials 4 entlang der Messstrecke, d.h. entlang der Signalübertragungsleitungen 6, zu bestimmen. Mögliche messbare Prozess- und Strukturparameter umfassen hierbei einen Aushärtegrads des Matrixmaterials 4, eine Fließfrontposition des Matrixmaterials 4, Fehlstellen des Fasermaterials 2, Schäden des Fasermaterials 2 usw.
Das elektrische Sensorelement 5 ist hierzu dazu ausgebildet, die Prozess- und Strukturparameter anhand des Verhaltens von elektromagnetischen Signalen 7 zu messen, die in die Signalübertragungsleitungen 6 eingespeist werden. Dies wird mit Bezug auf 3 näher erläutert, welche eine schematische Darstellung der Verwendung der Messanordnung 1 aus 1 zeigt.
Die Messanordnung 1 umfasst eine Analyseeinrichtung 12 welche zur Steuerung des elektrischen Sensorelements 5 ausgebildet ist. In der konkreten Ausführungsform in 3 ist die Analyseeinrichtung 12 dazu ausgebildet, die Prozess- und Strukturparameter, insbesondere den Aushärtegrad und/oder die Fließfrontposition des Matrixmaterials 4, mit dem elektrischen Sensorelement 5 über TDR zu messen.
Die Analyseeinrichtung 12 umfasst hierzu einen Pulsgenerator 16, welcher mit den Signalübertragungsleitungen 6 über ein Koaxialkabel 18 gekoppelt ist. 3 zeigt das Ersatzschaltbild des elektrischen Sensorelements 5 mit dem auf die Leitungslänge bezogenen Induktivitätsbelag L, L', Kapazitätsbelag C, C', Widerstandsbelag R, R' und Ableitungsbelag G, G'. Die Beläge hängen von den dielektrischen Eigenschaften der Umgebung der Signalübertragungsleitungen 6 ab. In Bereichen, in denen die Signalübertragungsleitungen 6 von Matrixmaterial 4 umgeben sind, weisen die Beläge andere Werte auf, als in Bereichen ohne Matrixmaterial 4 (vgl. gefüllte Fläche in 3). Ebenso hängen diese Größen von dem Aushärtegrad bzw. Vernetzungsgrad des Matrixmaterials 4 ab (vgl. unterschiedliche Grauschattierungen des Matrixmaterials 4 in 3, welche auf unterschiedliche Aushärtegrade hinweisen). Der Pulsgenerator 16 ist dazu ausgebildet, einen Spannungsimpuls mit einer konkreten Eingangsspannung 21 in die Signalübertragungsleitungen 6 einzuspeisen. Dieser Spannungsimpuls wird in den Signalübertragungsleitungen 6 reflektiert und anschließend als Ausgangsspannung 22 als elektromagnetische Signal 7 von einem Oszilloskop 17 erfasst und zeitlich ausgewertet. Beispielhaft ist schematisch die Impedanz 19 der Signalübertragungsleitungen 6 als Funktion der Laufzeit 20 rechts unten in 3 eingezeichnet. Hierbei ist schematisch angedeutet, dass die Impedanz sowohl von Diskontinuitäten (z.B. durch das Koaxialkabel, dem Ende der Signalübertragungsleitungen 6 usw.) als auch dem Vorhandensein eines mehr oder weniger ausgehärteten Matrixmaterials 4 abhängt. Durch eine Analyse des Wellenwiderstands bzw. allgemein des Verhaltens des elektromagnetischen Signals 7 kann auf die Prozess- und Strukturparameter, insbesondere den Aushärtegrad und die Fließfrontposition, des Matrixmaterials 4 als Funktion des Ortes und der Zeit geschlossen werden. Für eine ausführliche Erläuterung eines entsprechenden Messverfahrens mit Hilfe von TDR wird hier auf die Druckschrift Buchmann verwiesen. Die Messung kann „single-ended“ erfolgen, d.h. lediglich eine Signalübertragungsleitung 6 des Sensorelements 5 wird mit einer Spannung beaufschlagt, während die andere Signalübertragungsleitung 6 als Erde dient. Zur weiteren Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses kann die sogenannte differentielle TDR verwendet werden. Dabei werden beide Signalübertragungsleitungen 6 des Sensorelements 5 mit einem gegenpoligen Signal beaufschlagt. Bei gleichbleibender differentieller Signalamplitude können so Reflexionen an Störstellen entlang der Signalübertragungsleitungen 6 reduziert und somit die Messqualität weiter verbessert werden (vgl. die Druckschrift Buchmann).
Das Fasermaterial 2 kann bereits vor Einleitung des Matrixmaterials 4 auf Fehler untersucht werden. Wird anschließend das Fasermaterial 2 mit dem Matrixmaterial 4 getränkt, kann das noch nicht ausgehärtete Fasermaterial 2 erneut auf Fehler untersucht werden ohne die Produktion zu unterbrechen. Genügt das getränkte Fasermaterial 2 bis dato den Qualitätserfordernissen, so wird das Matrixmaterial 4 ausgehärtet. Der Aushärtegrad des Matrixmaterials 4 kann mit den hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren sowohl während des Aushärtens als auch in einer Abschlusskontrolle erfasst werden. Somit ist eine nahezu lückenlose Überwachung eines Herstellungsprozesses von Faserverbundbauteilen möglich.
Die vorliegende Ausführung stellt eine platzsparende, einfache und kostengünstige Lösung zur Überwachung von Prozessparametern bereit, mit Hilfe derer sowohl der Aushärtegrads und die Fließfrontposition eines Matrixmaterials kontinuierlich kontrollierbar sind, als auch die Zuverlässigkeit von Produkten durch frühzeitige Erkennung von Defekten, z.B. Brüche oder Delaminationen, gewährleistet werden kann. Die vorgestellte Lösung benötigt keine zusätzliche Schirmung und ist somit platzsparend und miniaturisiert ausführbar. Dies führt dazu, dass der Einfluss des Sensors auf den Prozess bzw. auf das Bauteil verringert wird, und dieser sogar ohne weiteres in dem Faserverbundbauteil verbleiben kann. Durch die Verdrillung der Leitungen ist das Sensorelement vergleichsweise unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen, wie etwa metallischen Werkzeugen oder leitenden Fasern. Somit kann die Präzision und/oder Qualität der Messung, insbesondere verglichen mit gewöhnlichen Zweitdrahtsensoren verbessert werden. Im Ergebnis wird ein einfach zu handhabendes, kostengünstiges und miniaturisierbares Messsystem bereitgestellt, welches dennoch eine effiziente und präzise Überwachung der Prozess- und Strukturparameter sicherstellt.
Die elektrischen Sensorelemente 5 bzw. Signalübertragungsleitungen 6 können nicht lediglich an einem Fasermaterial 2 anliegen bzw. nahe bei diesem angeordnet sein. Darüber hinaus ist es vorgesehen, elektrische Sensorelemente 5 bzw. Signalübertragungsleitungen 6 in Fasermaterial 2 zu integrieren. Insbesondere können diese Bauteile auch in dem Fasermaterial 2 verbleiben, um während des eigentlichen Verwendungszwecks eines fertig produzierten Faserverbundbauteils 23, wie es beispielhaft in 4 dargestellt ist, für bestimmte Zwecke genutzt zu werden, z.B. zur Strukturüberwachung des Faserverbundbauteils 23 oder dergleichen. 4 zeigt ein Faserverbundbauteil 23 mit Fasermaterial 2 (Verstärkungsfasern) und Matrixmaterial 4, wobei mehrere Sensorelemente 5 mit jeweils zwei verdrillten Signalübertragungsleitungen 6 derart in dem Bauteil angeordnet sind, dass die Enden der Signalübertragungsleitungen 6 aus dem Faserverbundbauteil 23 hervorstehen. Derart ist eine elektrische Verbindung zu einer externen Mess- bzw. Steuereinrichtung möglich (nicht eingezeichnet), welche die Signalübertragungsleitungen 6 zur Überwachung des Faserverbundbauteils 23 nutzen kann, z.B. um Beschädigungen wie Brüche oder Delaminationen oder dergleichen festzustellen. Beispielsweise können die Signalübertragungsleitungen 6 mit Sensoren, Detektoren, Antennen und/oder Steuereinrichtungen gekoppelt werden. Die Signalübertragungsleitungen 6 können einerseits als Sensorelemente und andererseits schlichtweg als Übertragungsleitungen verwendet werden.
In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
Beispielsweise können die Signalübertragungsleitungen 6 mäanderförmig angeordnet bzw. ausgerichtet sein. Derart können die Prozess- und Strukturparameter mit einem einzelnen Sensorelement 5 nicht nur eindimensional entlang einer Geraden ausgewertet werden, sondern es ist wird in vorteilhafterweise eine flächige Ortsauflösung erreicht. Ebenso ist es möglich mehrere elektrische Sensorelemente 5 in unterschiedliche Richtungen geradlinig auszurichten, um derart eine mehrdimensionale Empfindlichkeit der Messanordnung 1 zu erreichen.
In einem weiteren Beispiel können die elektrischen Sensorelemente 5 drei oder mehr miteinander verdrillte Signalübertragungsleitungen 6 umfassen. Die zusätzlichen Signalübertragungsleitungen 6 können beispielsweise der Redundanz dienen, um Ausfälle von einzelnen Signalübertragungsleitungen 6 kompensieren zu können.
Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
Bezugszeichenliste

1: Messanordnung
2: Fasermaterial
3: Matrixmaterial-Einleitungssystem
4: Matrixmaterial
5: elektrisches Sensorelement
6: Signalübertragungsleitungen
7: elektromagnetisches Signal
8: Formwerkzeug
9: Fließhilfe
10: Vakuumaufbau
11: Ausbreitungsrichtung
12: Analyseeinrichtung
13: Vakuumanschluss
14: Dichtband
15: Vakuumfolie
16: Pulsgenerator
17: Oszilloskop
18: Koaxialkabel
19: Impedanz
20: Laufzeit
21: Eingangsspannung
22: Ausgangsspannung
23: Faserverbundbauteil
R, R': Widerstandsbelag
C, C': Kapazitätsbelag
L, L': Induktivitätsbelag
G, G': Ableitungsbelag

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3035041 A1 [0005]
EP 3035042 A1 [0005]
EP 3035043 A1 [0005]

Claims

Messanordnung (1) zum Messen von Prozess- und Strukturparametern eines Faserverbundmaterials entlang einer Messstrecke, mit: einem Fasermaterial (2); einem Matrixmaterial (4), von welchem das Fasermaterial (2) zumindest bereichsweise umgeben ist; und einem elektrischen Sensorelement (5), welches zumindest zwei miteinander verdrillte Signalübertragungsleitungen (6) aufweist, die entlang der Messstrecke in und/oder an dem Fasermaterial (2) derart ausgerichtet sind, dass die Signalübertragungsleitungen (6) zumindest abschnittsweise von dem Matrixmaterial (4) umgeben werden, wobei das elektrische Sensorelement (5) dazu ausgebildet ist, die Prozess- und Strukturparameter anhand des Verhaltens von elektromagnetischen Signalen (7) zu messen, die in die Signalübertragungsleitungen (6) eingespeist werden.
Messanordnung (1) nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Matrixmaterial-Einleitungssystem (3), welches dazu ausgebildet ist, das Fasermaterial (2) mit dem Matrixmaterial (4) zu tränken, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) derart ausgerichtet sind, dass die Signalübertragungsleitungen (6) bei der Einleitung des Matrixmaterials zumindest abschnittsweise von dem Matrixmaterial (4) umgeben werden.
Messanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) an dem Fasermaterial (2) anliegen.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit einem Formwerkzeug (8), auf welchem das Fasermaterial (2) aufliegt, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) zwischen dem Formwerkzeug (8) und dem Fasermaterial (2) angeordnet sind.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit einem Fließhilfe (9), welche auf dem Fasermaterial (2) aufliegt, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) zwischen der Fließhilfe (9) und dem Fasermaterial (2) angeordnet sind.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit einem Vakuumaufbau (10), welcher die Messanordnung (1) abdichtet, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) zwischen dem Vakuumaufbau (10) und dem Fasermaterial (2) angeordnet sind.
Messanordnung (1) nach Anspruch 6, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) zwischen dem Vakuumaufbau (10) und einer auf dem Fasermaterial (2) aufliegenden Fließhilfe (9) angeordnet sind.
Messanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) in das Fasermaterial (2) integriert sind.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das elektrische Sensorelement (5) dazu ausgebildet ist, die Prozess- und Strukturparameter ortsaufgelöst entlang der Signalübertragungsleitungen (6) zu messen.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) entlang einer Ausbreitungsrichtung (11) des Matrixmaterials (4) ausgerichtet sind.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) entlang einer im Wesentlichen geraden Linie ausgerichtet sind.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) mäanderförmig ausgerichtet sind.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Prozess- und Strukturparameter ausgewählt sind aus der Gruppe eines Aushärtegrads des Matrixmaterials (4), einer Fließfrontposition des Matrixmaterials (4), Fehlstellen des Fasermaterials (2) oder des Matrixmaterials (4) und Schäden des Fasermaterials (2) oder des Matrixmaterials (4).
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das elektrische Sensorelement (5) zumindest drei miteinander verdrillte Signalübertragungsleitungen (6) aufweist.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Signalübertragungsleitungen (6) als isolierte Einzeldrähte ausgebildet sind.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei mehrere elektrische Sensorelemente (5) vorgesehen sind.
Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, weiterhin mit einer Analyseeinrichtung (12), welche zur Steuerung des elektrischen Sensorelements (5) ausgebildet ist, wobei die Analyseeinrichtung (12) dazu ausgebildet ist, die Prozess- und Strukturparameter mit dem elektrischen Sensorelement (5) über Zeitbereichsreflektometrie oder Zeitbereichstransmissometrie zu messen.
Verwendung einer Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Messen von Prozess- und Strukturparametern entlang einer Messstrecke während der Herstellung eines Faserverbundbauteils (23) und/oder in einem fertig hergestellten Faserverbundbauteil (23).
Faserverbundbauteil (23) mit: einem Fasermaterial (2); einem Matrixmaterial (4), von welchem das Fasermaterial (2) zumindest bereichsweise umgeben ist; und einem elektrischen Sensorelement (5), welches zumindest zwei miteinander verdrillte Signalübertragungsleitungen (6) aufweist, die in und/oder an dem Fasermaterial (2) derart ausgerichtet sind, dass die Signalübertragungsleitungen (6) zumindest abschnittsweise von dem Matrixmaterial (4) umgeben werden.