DE102017222139B4 - Process and device for the continuous feeding and real-time monitoring of a fiber composite semi-finished product - Google Patents
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Abstract
Verfahren (M) zur kontinuierlichen Zuführung und Echtzeitüberwachung eines Faserverbundhalbzeugs (1) während der Fertigung eines Faserverbundbauteils, mit:kontinuierlichem Zuführen (M1) eines Fasermaterials (2) mit einer Zuführeinheit (4);Imprägnieren (M2) des zugeführten Fasermaterials (2) mit einem Matrixmaterial (3) durch eine Imprägniereinheit (5) zur Bildung des Faserverbundhalbzeugs (1);Bestrahlen (M3) des Faserverbundhalbzeugs (1) mit Röntgenstrahlung (6) durch eine Röntgenstrahlungsquelle (7), wobei die Röntgenstrahlungsquelle (7) polychromatische Röntgenstrahlung mit einem kontinuierlichen Energiespektrum abstrahlt;Erfassen (M4) von Transmissions-Röntgenstrahlung (8) mit einem Röntgenstrahlungsdetektor (9), wobei die Transmissions-Röntgenstrahlung (8) aus dem bestrahlten Faserverbundhalbzeug (1) austritt;Bestimmen (M5) einer Röntgenabsorption der Röntgenstrahlung (6) aus der erfassten Transmissions-Röntgenstrahlung (8);Charakterisieren (M6) eines Faserverbundparameters des Faserverbundhalbzeugs (1) durch Analyse der Röntgenabsorption mit einer Analyseeinrichtung (10); undkontinuierlichem Zuführen (M7) des bestrahlten Faserverbundhalbzeugs (1) mit einem Zuführkopf (11) zur Fertigung des Faserverbundbauteils;wobei das Bestimmen (M5) der Röntgenabsorption Messen eines Absorptionsspektrums der Röntgenstrahlung (6) umfasst;wobei das Charakterisieren (M6) des Faserverbundparameters Vergleichen der Röntgenabsorption mit einer Referenzabsorption eines Referenzfasermaterials und/oder Referenzfaserverbundhalbzeugs umfasst; undwobei das Fasermaterial (2) eine vordefinierte Faserverteilung aufweist und das Charakterisieren (M6) des Faserverbundparameters auf Basis der vordefinierten Faserverteilung durchgeführt wird.Method (M) for the continuous feeding and real-time monitoring of a fiber composite semi-finished product (1) during the manufacture of a fiber composite component, with:continuous feeding (M1) of a fiber material (2) with a feeding unit (4);impregnation (M2) of the fed fiber material (2) with a matrix material (3) by an impregnation unit (5) to form the semi-finished fiber composite product (1);irradiation (M3) of the semi-finished fiber composite product (1) with X-rays (6) through an X-ray source (7), wherein the X-ray source (7) emits polychromatic X-rays with a emits a continuous energy spectrum;detecting (M4) transmitted X-rays (8) with an X-ray detector (9), the transmitted X-rays (8) emerging from the irradiated semi-finished fiber composite product (1);determining (M5) an X-ray absorption of the X-rays (6) from the detected transmission X-rays (8); characterizing (M6) a fiber composite parameter of the Fas composite semi-finished product (1) by analyzing the X-ray absorption with an analysis device (10); andcontinuous feeding (M7) of the irradiated fiber composite semi-finished product (1) with a feed head (11) for the production of the fiber composite component;wherein the determination (M5) of the X-ray absorption comprises measuring an absorption spectrum of the X-rays (6);wherein the characterizing (M6) of the fiber composite parameter is comparing the X-ray absorption with a reference absorption of a reference fiber material and/or reference fiber composite semi-finished product; andwherein the fiber material (2) has a predefined fiber distribution and the characterization (M6) of the fiber composite parameter is carried out on the basis of the predefined fiber distribution.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Zuführung und Echtzeitüberwachung eines Faserverbundhalbzeugs während der Fertigung eines Faserverbundbauteils. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Faserverbund- Zuführvorrichtung zur kontinuierlichen Zuführung und Echtzeitüberwachung eines Faserverbundhalbzeugs während der Fertigung eines Faserverbundbauteils.The present invention relates to a method for the continuous feeding and real-time monitoring of a semi-finished fiber composite product during the manufacture of a fiber composite component. The present invention also relates to a fiber composite feeding device for the continuous feeding and real-time monitoring of a fiber composite semi-finished product during the manufacture of a fiber composite component.
Obwohl in vielfältigen Anwendungen zur Herstellung unterschiedlichster Faserverbundgelege bzw. Faserverbundbauteile verwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf die Herstellung von Flugzeugstrukturen näher erläutert. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können jedoch ebenso in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Straßenkraftfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge, für Luftfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge, aber für die Herstellung allgemeiner Faserverbundbauteile eingesetzt werden.Although it can be used in a variety of applications for producing a wide variety of fiber composite fabrics or fiber composite components, the present invention and the problems on which it is based are explained in more detail with regard to the production of aircraft structures. However, the methods and devices described can also be used in all areas of the transport industry, for example for road vehicles, for rail vehicles, for aircraft or for water vehicles, but for the production of general fiber composite components.
Im modernen Flugzeugbau werden tragende bzw. strukturverstärkende Bauteile vermehrt aus Faserverbundmaterialien wie kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gefertigt. Beispielsweise ist ein typischer Flugzeugrumpf in Längsrichtung in eine Vielzahl von tonnenförmigen Rumpfsegmenten unterteilt, welche jeweils aus unterschiedlichen Strukturbauteilen aufgebaut sein können wie beispielsweise Rumpfschalenteile oder Versteifungselemente wie Spanten, Stringer oder dergleichen.In modern aircraft construction, load-bearing or structural components are increasingly made of fiber composite materials such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP). For example, a typical aircraft fuselage is divided in the longitudinal direction into a large number of barrel-shaped fuselage segments, which can each be made up of different structural components such as fuselage shell parts or stiffening elements such as frames, stringers or the like.
Ein weit verbreiteter vollautomatisierter Fertigungsprozess für solche Verbundbauteile ist das Automated-Fiber-Placement (AFP) bzw. Automated-Tape-Laying (ATL). Hierbei können Faserbänder oder andere flächige Fasermaterialien mit einer Kunststoffmatrix imprägniert werden. Das hierdurch gebildete Faserverbundhalbzeug wird von einem Legekopf, welcher robotergeführt sein kann, unter Anwendung von Druck und Temperatur entlang eines vorgegebenen Pfads auf einer Werkzeugoberfläche abgelegt.A widespread, fully automated manufacturing process for such composite components is Automated Fiber Placement (AFP) or Automated Tape Laying (ATL). Here, fiber tapes or other flat fiber materials can be impregnated with a plastic matrix. The fiber composite semi-finished product formed in this way is laid down along a predetermined path on a tool surface by a laying head, which can be guided by a robot, using pressure and temperature.
Eine Herausforderung im Flugzeugbau besteht darin, das Fasermaterial möglichst homogen und fehlerfrei mit Matrixmaterial zu durchsetzen. Um zu gewährleisten, dass die imprägnierten Fasermaterialien derartige und weitere grundlegende Qualitätsvoraussetzungen erfüllen, werden unterschiedliche Maßnahmen zur Qualitätssicherung angewendet. Die Druckschrift
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einfache und robuste Lösungen zu finden, welche eine verbesserte Echtzeitüberwachung eines kontinuierlichen Fertigungsprozesses in praktikabler Weise ermöglichen.Against this background, the present invention is based on the object of finding simple and robust solutions which enable improved real-time monitoring of a continuous production process in a practicable manner.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Faserverbund-Zuführvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of patent claim 1 and by a fiber composite feeding device having the features of
Demgemäß ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Zuführung und Echtzeitüberwachung eines Faserverbundhalbzeugs während der Fertigung eines Faserverbundbauteils vorgesehen. Das Verfahren umfasst kontinuierliches Zuführen eines Fasermaterials mit einer Zuführeinheit; Imprägnieren des zugeführten Fasermaterials mit einem Matrixmaterial durch eine Imprägniereinheit zur Bildung des Faserverbundhalbzeugs; Bestrahlen des Faserverbundhalbzeugs mit Röntgenstrahlung durch eine Röntgenstrahlungsquelle, wobei die Röntgenstrahlungsquelle polychromatische Röntgenstrahlung mit einem kontinuierlichen Energiespektrum abstrahlt; Erfassen von Transmissions-Röntgenstrahlung mit einem Röntgenstrahlungsdetektor, wobei die Transmissions-Röntgenstrahlung aus dem bestrahlten Faserverbundhalbzeug austritt; Bestimmen einer Röntgenabsorption der Röntgenstrahlung aus der erfassten Transmissions-Röntgenstrahlung; Charakterisieren eines Faserverbundparameters des Faserverbundhalbzeugs durch Analyse der Röntgenabsorption mit einer Analyseeinrichtung; und kontinuierliches Zuführen des bestrahlten Faserverbundhalbzeugs mit einem Zuführkopf zur Fertigung des Faserverbundbauteils, wobei das Bestimmen (M5) der Röntgenabsorption Messen eines Absorptionsspektrums der Röntgenstrahlung (6) umfasst;
- wobei das Charakterisieren (M6) des Faserverbundparameters Vergleichen der Röntgenabsorption mit einer Referenzabsorption eines Referenzfasermaterials und/oder Referenzfaserverbundhalbzeugs umfasst; und
- wobei das Fasermaterial (2) eine vordefinierte Faserverteilung aufweist und das Charakterisieren (M6) des Faserverbundparameters auf Basis der vordefinierten Faserverteilung durchgeführt wird.
- wherein the characterizing (M6) of the fiber composite parameter comprises comparing the X-ray absorption with a reference absorption of a reference fiber material and/or reference fiber composite semi-finished product; and
- wherein the fiber material (2) has a predefined fiber distribution and the characterization (M6) of the fiber composite parameter is carried out on the basis of the predefined fiber distribution.
Ferner ist eine Faserverbund-Zuführvorrichtung zur kontinuierlichen Zuführung und Echtzeitüberwachung eines Faserverbundhalbzeugs während der Fertigung eines Faserverbundbauteils vorgesehen. Die Faserverbund-Zuführvorrichtung umfasst eine Zuführeinheit, welche dazu ausgebildet ist, Fasermaterial kontinuierlich zuzuführen; eine Imprägniereinheit, welche dazu ausgebildet ist das zugeführte Fasermaterial mit einem Matrixmaterial zur Bildung des Faserverbundhalbzeugs zu imprägnieren; eine Röntgenstrahlungsquelle, welche dazu ausgebildet ist, das Faserverbundhalbzeug mit Röntgenstrahlung zu bestrahlen, wobei die Röntgenstrahlungsquelle zur Abstrahlung polychromatischer Röntgenstrahlung mit einem kontinuierlichen Energiespektrum ausgebildet ist; einen Röntgenstrahlungsdetektor, welcher dazu ausgebildet ist, aus dem bestrahlten Faserverbundhalbzeug austretende Transmissions-Röntgenstrahlung zu erfassen; eine Analyseeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine Röntgenabsorption der Röntgenstrahlung aus der erfassten Transmissions-Röntgenstrahlung zu bestimmen und einen Faserverbundparameter des Faserverbundhalbzeugs durch Analyse der Röntgenabsorption zu charakterisieren; und einen Zuführkopf, welcher dazu ausgebildet ist, das bestrahlte Faserverbundhalbzeug zur Fertigung des Faserverbundbauteils kontinuierlich zuzuführen ; und
eine Strahlungsabschirmung (12), welche die Röntgenstrahlungsquelle (7) und den Röntgenstrahlungsdetektor (9) umgibt und dazu ausgebildet ist, Röntgenstrahlung am Austritt aus der Faserverbund-Zuführvorrichtung (100) zu hindern; wobei zumindest die Röntgenstrahlungsquelle (7), der Röntgenstrahlungsdetektor (9) und die Strahlungsabschirmung (12) in den Zuführkopf (11) integriert sind.Furthermore, a fiber composite feeding device is provided for the continuous feeding and real-time monitoring of a fiber composite semi-finished product during the manufacture of a fiber composite component. The fiber composite feeding device comprises a feed unit which is designed to feed fiber material continuously; an impregnation unit, which is designed to impregnate the supplied fiber material with a matrix material to form the fiber composite semi-finished product; an X-ray source which is designed to irradiate the semi-finished fiber composite product with X-rays, the X-ray source being designed to emit polychromatic X-rays with a continuous energy spectrum; an X-ray detector which is designed to detect transmission X-rays emerging from the irradiated semi-finished fiber composite product; an analysis device which is designed to determine an X-ray absorption of the X-ray radiation from the detected transmission X-ray radiation and to characterize a fiber composite parameter of the semi-finished fiber composite product by analyzing the X-ray absorption; and a feed head which is designed to continuously feed the irradiated fiber composite semi-finished product for the production of the fiber composite component; and
a radiation shield (12) surrounding the X-ray source (7) and the X-ray detector (9) and adapted to prevent X-ray radiation from exiting the fiber composite feeder (100); at least the X-ray source (7), the X-ray detector (9) and the radiation shield (12) being integrated in the feed head (11).
Im Unterschied zum Stand der Technik besteht eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee darin, das imprägnierte Fasermaterial während der Zuführung mit Röntgenstrahlung eines kontinuierlichen Spektrums zu bestrahlen und aus der energieabhängigen Absorption dieses Strahlungsspektrums Rückschlüsse auf Eigenschaften des Faserverbundhalbzeugs zu ziehen. Beispielsweise können relevante Informationen bereits durch simple Analyse der Abschwächung der Intensität der Röntgenstrahlung gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz erhalten werden. Ist beispielsweise das Fasermaterial hinsichtlich Zusammensetzung und/oder Verteilung bekannt, so kann unmittelbar aus der Absorption auf den Matrixmaterial-Gehalt des Faserverbundhalbzeugs geschlossen werden, beispielsweise ausgedrückt in einem Volumenanteil des Matrixmaterials. Die Komponenten der erfindungsgemäßen Röntgenmessvorrichtung werden hierzu zwischen einer Imprägnierstation und einer Zuführstation/Ablegestation angeordnet, sodass sich die Komponenten ohne Schwierigkeiten in einen gewöhnlichen kontinuierlichen Fertigungsprozess eingliedern lassen. Einerseits ist es möglich, herkömmliche Fertigungsanalagen „aufzurüsten“. Andererseits sieht die erfindungsgemäße Lösung insbesondere kleine und kompakte Fertigungsanordnungen vor, welche einige oder alle der erfindungsgemäßen Einheiten in einer Vorrichtung integrieren, z.B. in einen Legekopf einer AFP- oder ATL-Vorrichtung, einschließlich einer Abschirmung, einer Kühlung, elektrischer Verbindungen und Verkabelungen, einer Röntgenoptik etc. Das erfindungsgemäße System kann somit zur stabilen Echtzeit-Qualitätsüberwachung einer dauerhaft laufenden Fertigungsanlage verwendet werden, z.B. einer AFP- oder ATL-Vorrichtung, einer Faserwickelmaschine (englisch: „Filament Winding Machine“) oder dergleichen. Hierdurch kann letztendlich nicht nur die Qualität der Bauteile beispielsweise hinsichtlich Homogenität verbessert werden. Darüber hinaus werden auch allgemein Kosten und Material gespart, da der Fertigungsprozess unter eine genauere Kontrolle gestellt wird.In contrast to the prior art, one of the ideas on which the present invention is based is to irradiate the impregnated fiber material with X-rays of a continuous spectrum during feeding and to draw conclusions about the properties of the fiber composite semi-finished product from the energy-dependent absorption of this radiation spectrum. For example, relevant information can already be obtained by simply analyzing the attenuation of the intensity of the X-ray radiation according to the Lambert-Beer law. If, for example, the fiber material is known in terms of composition and/or distribution, the matrix material content of the semi-finished fiber composite product can be inferred directly from the absorption, for example expressed in a volume fraction of the matrix material. For this purpose, the components of the X-ray measuring device according to the invention are arranged between an impregnation station and a feeding station/depositing station, so that the components can be incorporated into a conventional continuous production process without difficulty. On the one hand, it is possible to "upgrade" conventional production systems. On the other hand, the solution according to the invention provides in particular small and compact manufacturing arrangements which integrate some or all of the units according to the invention in a device, e.g. in a laying head of an AFP or ATL device, including shielding, cooling, electrical connections and cabling, X-ray optics etc. The system according to the invention can thus be used for stable real-time quality monitoring of a continuously running production plant, eg an AFP or ATL device, a filament winding machine or the like. Ultimately, this not only improves the quality of the components, for example with regard to homogeneity. In addition, costs and material are also generally saved since the manufacturing process is placed under more precise control.
Die erfindungsgemäße Lösung ist für den Einsatz unterschiedlichster Faser- und Matrixmaterialien geeignet. Beispielsweise kann das Fasermaterial Kohlenstofffasern, Glasfasern, Graphitfasern und/oder Aramidfasern usw. umfassen. Das Matrixmaterial kann beispielsweise ein Kunststoff, ein Kunstharz, z.B. ein Epoxidharz, sein. The solution according to the invention is suitable for the use of a wide variety of fiber and matrix materials. For example, the fiber material can include carbon fibers, glass fibers, graphite fibers and/or aramid fibers, etc. The matrix material can be, for example, a plastic, a synthetic resin, e.g., an epoxy resin.
Fasermaterial im Sinne der Erfindung umfasst hierbei beliebige flächige oder bündelartige Anordnungen aus Fasern, z.B. in Form von Bändern, Strips, Sheets, Tows, Tapes, Geweben, Matten, Bündeln, Einzelfasern usw.Fibrous material within the meaning of the invention includes any planar or bundle-like arrangement of fibers, e.g. in the form of ribbons, strips, sheets, tows, tapes, woven fabrics, mats, bundles, individual fibers, etc.
Weiter umfasst das Bestimmen der Röntgenabsorption Messen eines Absorptionsspektrums der Röntgenstrahlung. Es kann somit kontinuierlich ein Spektrum einer polychromatischen Röntgenstrahlung erfasst und ausgewertet werden, um derart schnell und pragmatisch möglichst umfassende Informationen über die Zusammensetzung des Faserverbundbauteils zu erhalten, ohne dass notwendigerweise aufwendige Analyseverfahren eingesetzt werden müssen. Beispielsweise kann bereits aus einer energie-, frequenz- bzw. wellenlängenabhängigen Absorption auf bestimmte Eigenschaften des Faserverbundbauteils geschlossen werden.Determining the x-ray absorption also includes measuring an absorption spectrum of the x-ray radiation. A spectrum of a polychromatic X-ray radiation can thus be continuously recorded and evaluated in order to obtain information about the composition of the fiber composite component that is as comprehensive as possible quickly and pragmatically without having to use complex analysis methods. For example, certain properties of the fiber composite component can already be inferred from an energy, frequency or wavelength-dependent absorption.
Weiter umfasst das Charakterisieren des Faserverbundparameters Vergleichen der Röntgenabsorption mit einer Referenzabsorption eines Referenzfasermaterials und/oder Referenzfaserverbundhalbzeugs. Mit Hilfe der Referenzabsorption kann das System gewissermaßen kalibriert werden, um somit durch Vergleich beispielsweise mit Referenzspektren vollautomatisch und schnell quantitative Messergebnisse liefern zu können. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass bestimmte Referenzspektren eines Referenzfasermaterials und/oder Referenzfaserverbundhalbzeugs in einer Speichereinrichtung der Analyseeinrichtung abgespeichert sind, so dass diese jederzeit (automatisch) abrufbar sind. Beispielsweise kann ein Kalibrierungsschritt vorgesehen sein, in welchem ein nicht imprägniertes Fasermaterial mittels Röntgenstrahlung untersucht wird, und daraus beispielsweise eine Faserverteilung des Fasermaterials gewonnen wird, z.B. in Form einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Karte der Faseranordnung, Faserverteilung oder dergleichen. Diese vordefinierte Faserverteilung kann wiederum in der Analyseeinrichtung gespeichert und für die Überwachung eines Fertigungsprozesses verwendet werden, bei welchem ein entsprechendes Fasermaterial kontinuierlich zugeführt und imprägniert wird. Prinzipiell kann der Nutzer eine im Wesentlichen beliebige Anzahl von Referenzspektren aufnehmen und zur späteren Verwendung abspeichern, sodass das Verfahren für die Überwachung bestimmter unterschiedlicher Typen von Fasermaterialien „geeicht“ werden kann. Alternativ oder zusätzlich können jedoch ebenso Referenzspektren von Referenzfaserverbundhalbzeugen verwendet werden, z.B. Halbzeuge mit bekannter Faser- und Matrixmaterialzusammensetzung oder allgemein bekannter Konfiguration, welche mittels anderer Verfahren festgestellt worden sein und/oder kontrolliert in definierter Weise hergestellt worden sein können.The characterization of the fiber composite parameter also includes comparing the X-ray absorption with a reference absorption of a reference fiber material and/or reference fiber composite semi-finished product. With the help of the reference absorption, the system can be calibrated to a certain extent in order to be able to supply quantitative measurement results fully automatically and quickly by comparison with reference spectra, for example. For example, it can be provided that certain reference spectra of a reference fiber material and/or reference fiber composite semi-finished product are stored in a memory device of the analysis device, so that they can be called up (automatically) at any time. For example, a calibration step be provided, in which a non-impregnated fiber material is examined by means of X-rays, and from this, for example, a fiber distribution of the fiber material is obtained, for example in the form of a two-dimensional or three-dimensional map of the fiber arrangement, fiber distribution or the like. This predefined fiber distribution can in turn be stored in the analysis device and used to monitor a manufacturing process in which a corresponding fiber material is continuously supplied and impregnated. In principle, the user can record essentially any number of reference spectra and store them for later use, so that the method can be "calibrated" for monitoring certain different types of fiber materials. Alternatively or additionally, however, reference spectra of reference fiber composite semi-finished products can also be used, eg semi-finished products with known fiber and matrix material composition or generally known configuration, which have been determined using other methods and/or can have been manufactured in a controlled manner in a defined manner.
Weiter weist das Fasermaterial eine vordefinierte Faserverteilung auf. Das Charakterisieren des Faserverbundparameters wird auf Basis der vordefinierten Faserverteilung durchgeführt. Da die Faserverteilung des imprägnierten Faserverbundhalbzeugs somit vorbekannt ist, kann aus der Röntgenabsorption, z.B. einem gemessen Absorptionsspektrum, unmittelbar auf den Anteil an Matrixmaterial geschlossen werden, z.B. einen Matrixmaterial-Gehalt ausgedrückt in einem Volumenanteil und/oder Flächenanteil. Hierbei wird vorausgesetzt, dass das Fasermaterial auch tatsächlich die vordefinierte Faserverteilung aufweist. Beispielsweise können Faserbänder, Faserbündel, Fasergelege, Fasermatten, Fasergewebe usw. eines bestimmten Typs verwendet werden. Hierzu kann einmalig die grundsätzliche Faserverteilung eines derartigen Fasermaterials anhand eines Prototypen festgestellt werden. Die kontinuierliche Fertigung und Überwachung von Faserverbundbauteilen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dann unter Annahme dieser vordefinierten Faserverteilung durchgeführt werden und damit beispielsweise für jedes Halbzeug bzw. Bauteil eine Karte des Matrixmaterialinhalts erstellt werden. Dies kann beispielsweise für eine Inspektion und/oder Qualitätsüberwachung während der Serienfertigung von Faserverbundbauteilen genutzt werden.The fiber material also has a predefined fiber distribution. The characterization of the fiber composite parameter is performed based on the predefined fiber distribution. Since the fiber distribution of the impregnated fiber composite semi-finished product is already known, the X-ray absorption, e.g. a measured absorption spectrum, can be used to directly infer the proportion of matrix material, e.g. It is assumed here that the fiber material actually has the predefined fiber distribution. For example, fiber tapes, fiber bundles, fiber fabrics, fiber mats, fiber fabrics, etc. of a certain type can be used. For this purpose, the basic fiber distribution of such a fiber material can be determined once using a prototype. The continuous production and monitoring of fiber composite components with the method according to the invention can then be carried out assuming this predefined fiber distribution and thus, for example, a map of the matrix material content can be created for each semi-finished product or component. This can be used, for example, for an inspection and/or quality monitoring during the series production of fiber composite components.
Weiter umfasst die Faserverbund-Zuführvorrichtung ferner eine Strahlungsabschirmung. Die Strahlungsabschirmung umgibt die Röntgenstrahlungsquelle und den Röntgenstrahlungsdetektor und ist dazu ausgebildet, Röntgenstrahlung am Austritt aus der Faserverbund-Zuführvorrichtung zu hindern. Beispielsweise kann eine Bleiabschirmung um die Anordnung aus Röntgenstrahlungsquelle und Röntgenstrahlungsdetektor vorgesehen sein.Furthermore, the fiber composite feeding device further comprises a radiation shield. The radiation shield surrounds the X-ray source and the X-ray detector and is configured to prevent X-ray radiation from exiting the composite fiber feeder. For example, lead shielding may be provided around the x-ray source and x-ray detector assembly.
Weiter sind zumindest die Röntgenstrahlungsquelle, der Röntgenstrahlungsdetektor und die Strahlungsabschirmung in den Zuführkopf integriert.Furthermore, at least the x-ray radiation source, the x-ray radiation detector and the radiation shield are integrated in the feed head.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. Gemäß einer Weiterbildung kann der Faserverbundparameter einen Matrixmaterial-Gehalt, einen Faserdefekt, eine Faserverteilung und/oder eine Fremdkörperkontamination umfassen. Beispielsweise können neben einem Anteil an Matrixmaterial auch Delaminationen, Leerstellen und Hohlräume (englisch: „Voids“), Faserbrüche und/oder ungewünschte Fremdkörper bzw. Fremdmaterialien festgestellt werden.Advantageous refinements and developments result from the further dependent claims and from the description with reference to the figures. According to a development, the fiber composite parameter can include a matrix material content, a fiber defect, a fiber distribution and/or foreign body contamination. For example, in addition to a proportion of matrix material, delaminations, voids and cavities, fiber breaks and/or unwanted foreign bodies or foreign materials can also be detected.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Faserverbundparameter kontinuierlich entlang des Faserverbundhalbzeugs charakterisiert werden. Prinzipiell kann es alternativ je nach Anwendung jedoch ebenso vorgesehen sein, Faserverbundparameter lediglich stichprobenartig zu erfassen.According to a development, the fiber composite parameter can be characterized continuously along the fiber composite semi-finished product. In principle, however, depending on the application, it can also be provided to only randomly detect fiber composite parameters.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Faserverbundparameter ortsaufgelöst charakterisiert werden. Beispielsweise kann ein Faserverbundhalbzeug gewissermaßen kartographiert werden, indem eine Verteilung des Matrixmaterials und/oder des Fasermaterials ortsaufgelöst quer und/oder längs entlang des Faserverbundhalbzeugs aufgenommen wird.According to a development, the fiber composite parameter can be characterized in a spatially resolved manner. For example, a fiber composite semi-finished product can be mapped to a certain extent by spatially resolved distribution of the matrix material and/or the fiber material being recorded transversely and/or longitudinally along the fiber composite semi-finished product.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren weiterhin kontinuierliches Ablegen des Faserverbundhalbzeugs mit dem Zuführkopf umfassen. Der Zuführkopf der Faserverbund-Zuführvorrichtung kann entsprechend als Legekopf zum Ablegen des Faserverbundhalbzeugs ausgebildet sein.According to a further development, the method can also include continuous laying down of the semi-finished fiber composite product with the feed head. The feed head of the fiber composite feed device can accordingly be designed as a laying head for laying down the fiber composite semi-finished product.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Röntgenstrahlungsquelle polychromatische Röntgenstrahlung mit einem kontinuierlichen Energiespektrum zwischen mindestens 1 keV und maximal 50 keV abstrahlen.According to a development, the X-ray radiation source can emit polychromatic X-ray radiation with a continuous energy spectrum between at least 1 keV and a maximum of 50 keV.
Gemäß einer Weiterbildung können die Zuführeinheit, die Imprägniereinheit, die Röntgenstrahlungsquelle, der Röntgenstrahlungsdetektor, die Strahlungsabschirmung und/oder die Analyseeinrichtung in den Zuführkopf integriert sein. In einem konkreten Beispiel kann die Röntgenstrahlungsquelle, der Röntgenstrahlungsdetektor und eine diese umgebende Strahlungsabschirmung in einen Zuführkopf, insbesondere einen Legekopf, z.B. ein Roboterkopf einer AFP- oder ATL-Vorrichtung, integriert sein. Eine Analyseeinrichtung kann entweder direkt in den Legekopf eingebettet sein, z.B. in Form einer integrierten Schaltung, eines Mikrochips oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich kann der Legekopf an eine externe Analyseeinrichtung, z.B. einen Computer oder dergleichen, gekoppelt sein, z.B. über eine drahtlose Verbindung und/oder über ein Datenkabel. In einem anderen konkreten Beispiel können zusätzlich eine Imprägniereinheit und eine Zuführeinheit mit in den Legekopf integriert sein.According to a development, the feed unit, the impregnation unit, the X-ray source, the X-ray detector, the radiation shield and/or the analysis device can be integrated into the feed head. In a concrete example, the X-ray radiation source, the X-ray radiation detector and a radiation shield surrounding them can be integrated into a feed head, in particular a laying head, eg a robot head of an AFP or ATL device. An analyzer can either be embedded directly in the laying head, for example in the form of an integrated circuit, a microchip or the like. Alternatively or additionally, the laying head can be coupled to an external analysis device, eg a computer or the like, eg via a wireless connection and/or via a data cable. In another specific example, an impregnation unit and a feed unit can also be integrated into the laying head.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Röntgenstrahlungsdetektor als Photodetektor ausgebildet sein. Gemäß einer Weiterbildung kann der Röntgenstrahlungsdetektor insbesondere als Photonenzähler ausgebildet sein. Die Röntgenstrahlungsquelle kann beispielsweise eine Berylliumquelle oder dergleichen sein.According to a development, the X-ray detector can be designed as a photodetector. According to a development, the X-ray radiation detector can be designed in particular as a photon counter. The X-ray source can be, for example, a beryllium source or the like.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Röntgenstrahlungsquelle eine Zuführbreite des Faserverbundhalbzeugs zwischen 1 mm und 50 mm, insbesondere zwischen 5 mm und 25 mm, bestrahlen.According to a further development, the x-ray radiation source can irradiate a feeding width of the semi-finished fiber composite product between 1 mm and 50 mm, in particular between 5 mm and 25 mm.
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 der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above configurations and developments can be combined with one another as desired, insofar as this makes sense. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
-
1 schematische perspektivische Schnittansicht einer Faserverbund-Zuführvorrichtung zur kontinuierlichen Zuführung und Echtzeitüberwachung eines Faserverbundhalbzeugs während der Fertigung eines Faserverbundbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und -
2 schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur kontinuierlichen Zuführung und Echtzeitüberwachung mit der Faserverbund-Zuführvorrichtung aus1 .
-
1 schematic perspective sectional view of a fiber composite feeding device for the continuous feeding and real-time monitoring of a fiber composite semi-finished product during the manufacture of a fiber composite component according to an embodiment of the invention; and -
2 schematic flowchart of a method for continuous feeding and real-time monitoring with the fiber composite feeding device1 .
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.The accompanying figures are intended to provide a further understanding of embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the foregoing advantages will become apparent by reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale with respect to one another.
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.In the figures of the drawing, elements, features and components that are the same, have the same function and have the same effect--unless stated otherwise--are each provided with the same reference symbols.
Bei dem zu fertigenden Faserverbundbauteil kann es sich beispielsweise um ein Bauteil aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFK) handeln, welches Kohlenstofffasern in einer Epoxidmatrix aufweist. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Bauteil für den Einsatz in Luft- oder Raumfahrzeugen handeln, wie beispielsweise ein Strukturbauteil (Stringer, Spant, Rumpfsegment, Hautfeldabschnitt oder dergleichen) oder ein Kabinenausstattungselement etc. Derartige Bauteile können allgemein gefertigt werden, indem ein Fasermaterial mit einem Matrixmaterial imprägniert wird, wodurch ein Faserverbundhalbzeug gebildet wird, welches im Anschluss weiteren Fertigungsschritten unterzogen wird, bevor es unter Beaufschlagung von Druck und Temperatur zu einem finalen Faserverbundbauteil ausgehärtet wird. Beispielsweise kann das (flächige und/oder bandförmige) Faserverbundhalbzeug mit Hilfe eines Formwerkzeugs zunächst in eine bestimmte dreidimensionale Form gebracht werden, bevor es in dieser Form ausgehärtet wird.The fiber composite component to be manufactured can be, for example, a component made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP), which has carbon fibers in an epoxy matrix. In particular, this can be a component for use in aircraft or spacecraft, such as a structural component (stringer, frame, fuselage segment, skin panel section or the like) or a cabin equipment element, etc. Such components can generally be manufactured by using a fiber material with a Matrix material is impregnated, whereby a fiber composite semi-finished product is formed, which is then subjected to further manufacturing steps before it is cured under the application of pressure and temperature to form a final fiber composite component. For example, the (flat and/or strip-shaped) fiber composite semi-finished product can first be brought into a specific three-dimensional shape with the aid of a mold before it is cured in this shape.
Die Faserverbund-Zuführvorrichtung 100 in
Die Faserverbund-Zuführvorrichtung 100 umfasst ferner eine Imprägniereinheit 5, welche dazu ausgebildet ist, das zugeführte Fasermaterial 2 mit einem Matrixmaterial 3 zu imprägnieren und dadurch das Faserverbundhalbzeug 1 zu bilden. Die Imprägniereinheit 5 kann hierzu Epoxidharz in einem fließfähigen Zustand in das Faserverbundband injizieren.The fiber
Die Faserverbund-Zuführvorrichtung 100 umfasst ferner eine Röntgenstrahlungsquelle 7, welche dazu ausgebildet ist, das Faserverbundhalbzeug 1 mit Röntgenstrahlung 6 zu bestrahlen. Die die Röntgenstrahlungsquelle 7 ist hierbei eine Berylliumquelle, welcher zur Abstrahlung polychromatischer Röntgenstrahlung mit einem kontinuierlichen Energiespektrum zwischen mindestens 1 keV und maximal 50 keV ausgebildet ist, z.B. zwischen 30 keV und 35 keV. Die Röntgenstrahlungsquelle 7 kann eine Zuführbreite des Faserverbundhalbzeugs 1 zwischen 5 mm und 25 mm bestrahlen.The fiber
Die Faserverbund-Zuführvorrichtung 100 umfasst ferner einen Röntgenstrahlungsdetektor 9, welcher als Photonenzähler dazu ausgebildet ist, aus dem bestrahlten Faserverbundhalbzeug 1 austretende Transmissions-Röntgenstrahlung 8 zu erfassen. Die Faserverbund-Zuführvorrichtung 100 umfasst ferner eine Strahlungsabschirmung 12 aus Bleiplatten, welche die Röntgenstrahlungsquelle 7 und den Röntgenstrahlungsdetektor 9 umgibt und dazu ausgebildet ist, Röntgenstrahlung am Austritt aus der Faserverbund-Zuführvorrichtung 100 zu hindern.The fiber
Die Faserverbund-Zuführvorrichtung 100 umfasst ferner eine Analyseeinrichtung 10, welche dazu ausgebildet ist, eine Röntgenabsorption der Röntgenstrahlung 6 aus der erfassten Transmissions-Röntgenstrahlung 8 zu bestimmen und einen Faserverbundparameter des Faserverbundhalbzeugs 1 durch Analyse der Röntgenabsorption zu charakterisieren. Die Analyseeinrichtung 10 ist hierzu über eine Datenleitung an den Röntgenstrahlungsdetektor gekoppelt.The fiber
Die Faserverbund-Zuführvorrichtung 100 umfasst ferner einen Zuführkopf 11, welcher dazu ausgebildet ist, das bestrahlte Faserverbundhalbzeug 1 zur Fertigung des Faserverbundbauteils kontinuierlich zuzuführen. Der Zuführkopf 11 ist in dieser beispielhaften konkreten Ausführungsform als Legekopf einer Faserwickelmaschine zum Ablegen des Faserverbundhalbzeugs 1 auf einem Formwerkzeug 13 ausgebildet. In diesem Beispiel ist das Formwerkzeug 13 ringförmig als rotierender Zylinder ausgebildet (englisch: „Mandrel“), wobei das Faserverbundhalbzeug 1 kontinuierlich um das Formwerkzeug 13 zur Bildung eines gekrümmten Faserverbundbauteils gewickelt wird. Im Anschluss wird das aufgewickelte Faserverbundhalbzeug unter Beaufschlagung von Druck und Temperatur ausgehärtet, z.B. in einem Autoklav.The fiber
Die Anordnung der einzelnen Komponenten der Faserverbund-Zuführvorrichtung 100 ist in
Das Verfahren M umfasst unter M1 entsprechend kontinuierliches Zuführen des Fasermaterials 2 mit der Zuführeinheit 4. Das Verfahren M umfasst unter M2 ferner Imprägnieren des zugeführten Fasermaterials 2 mit dem Matrixmaterial 3 durch die Imprägniereinheit 5 zur Bildung des Faserverbundhalbzeugs 1. Das Verfahren M umfasst unter M3 ferner Bestrahlen M3 des Faserverbundhalbzeugs 1 mit Röntgenstrahlung 6 durch die Röntgenstrahlungsquelle 7. Das Verfahren M umfasst unter M4 ferner Erfassen der Transmissions-Röntgenstrahlung 8 mit dem Röntgenstrahlungsdetektor 9. Das Verfahren M umfasst unter M5 ferner Bestimmen der Röntgenabsorption der Röntgenstrahlung 6 aus der erfassten Transmissions-Röntgenstrahlung 8. Hierbei kann beispielsweise ein Absorptionsspektrum der Röntgenstrahlung 6 gemessen werden. Das Verfahren M umfasst unter M6 ferner Charakterisieren des Faserverbundparameters des Faserverbundhalbzeugs 1 durch Analyse der Röntgenabsorption mit der Analyseeinrichtung 10. Hierbei wird die Röntgenabsorption, d.h. z.B. ein Absorptionsspektrum, mit einer Referenzabsorption eines Referenzfasermaterials und/oder Referenzfaserverbundhalbzeugs verglichen. Das Verfahren verglichen. Das Verfahren M umfasst unter M7 ferner kontinuierliches Zuführen des bestrahlten Faserverbundhalbzeugs 1 mit dem Zuführkopf 11 zur Fertigung des Faserverbundbauteils. Das Verfahren M umfasst unter M8 ferner kontinuierliches Ablegen des Faserverbundhalbzeugs 1 mit dem Zuführkopf 11.Under M1, the method M includes corresponding continuous feeding of the fiber material 2 with the
Das vorliegende Beispiel ist speziell für eine pragmatische, schnelle und robuste und letztendlich möglichst einfache Auswertung des Matrixmaterial-Gehalts des Faserverbundhalbzeugs 1 ausgelegt. Hierzu wird Fasermaterial 2 mit einer vordefinierten Faserverteilung verwendet, welche zuvor durch Röntgenbestrahlung in einem Kalibrierungsschritt einmalig anhand eines exemplarischen Faserverbundbandes ausgewertet wurde, d.h. ohne Injektion von Matrixmaterial. Beispielsweise kann eine ortsaufgelöste Karte der Faserverteilung entlang des Faserverbundbands vorliegen. Unter der Annahme, dass diese Faserverteilung für gleich hergestellte Faserverbundbänder in gleicher Weise erfüllt ist, kann diese als Basis für einen kontinuierliche und ortsaufgelöste Charakterisierung des Matrixmaterial-Gehalts des Faserverbundhalbzeugs 1 dienen. Hierzu wird die Röntgenabsorption kontinuierlich entlang des Faserverbundhalbzeugs 1 ausgewertet. Da die Faserverteilung bekannt ist, kann aus der spezifischen Absorption der Röntgenstrahlung auf den Volumenanteil des Matrixmaterials 3 geschlossen werden. Die Abschwächung der Intensität der Röntgenstrahlung kann entsprechend dem Beer-Lambertschen-Gesetz ausgewertet werden:
In dieser Ausgestaltung kann die Faserverbund-Zuführvorrichtung 100 kompakt, leicht und tragbar ausgebildet werden, wobei eine Echtzeit-Qualitätsüberwachung der Fertigung eines Faserverbundbauteils bereitgestellt wird, welche auf das jeweilige verwendet Herstellungsverfahren angepasst werden kann.In this embodiment, the fiber
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.In the foregoing Detailed Description, various features have been grouped together in one or more examples to improve the rigor of presentation. However, it should be understood that the above description is merely illustrative and in no way restrictive. It is intended to cover all alternatives, modifications, and equivalents of the various features and embodiments. Many other examples will be immediately and immediately apparent to those skilled in the art in view of the above description.
Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ebenso in Faserverbundherstellungsverfahren verwendet werden, bei welchen die Ablage eines Faserverbundhalbzeugs zunächst in einer flächigen, ebenen Anordnung erfolgt und das Faserverbundhalbzeug erst in einem zweiten Schritt mittels eines Formkerns in eine gewünschte Profilform gebracht wird, bevor es schließlich ausgehärtet wird.For example, the device according to the invention and the method according to the invention can also be used in fiber composite production processes in which the filing of a fiber composite semi-finished product first takes place in a planar, planar arrangement and the fiber composite semi-finished product is only brought into a desired profile shape in a second step using a mold core before it eventually hardened.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise als Teil einer AFP- oder ATL-Vorrichtung ausgebildet sein, welche zur flächigen und/oder gekrümmten Ablage eines Faserverbundhalbzeugs dient.The device according to the invention can be designed, for example, as part of an AFP or ATL device, which is used for flat and/or curved placement of a semi-finished fiber composite product.
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.The exemplary embodiments were selected and described in order to be able to present the principles on which the invention is based and its possible applications in practice in the best possible way. This enables those skilled in the art to optimally modify and use the invention and its various exemplary embodiments in relation to the intended application. In the claims and the description, the terms “including” and “having” are used as neutral terms for the corresponding terms “comprising”. Furthermore, the use of the terms “a”, “an” and “an” should not fundamentally exclude a plurality of features and components described in this way.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Faserverbundhalbzeugfiber composite semi-finished product
- 22
- Fasermaterialfiber material
- 33
- Matrixmaterialmatrix material
- 44
- Zuführeinheitfeeding unit
- 55
- Imprägniereinheitimpregnation unit
- 66
- RöntgenstrahlungX-ray radiation
- 77
- RöntgenstrahlungsquelleX-ray source
- 88th
- Transmissions-RöntgenstrahlungTransmission X-rays
- 99
- RöntgenstrahlungsdetektorX-ray detector
- 1010
- Analyseeinrichtunganalysis device
- 1111
- Zuführkopffeeding head
- 1212
- Strahlungsabschirmungradiation shielding
- 1313
- Formwerkzeugmolding tool
- 100100
- Faserverbund-ZuführvorrichtungFiber composite feeding device
- MM
- Verfahrenprocedure
- M1M1
- Verfahrensschrittprocess step
- M2M2
- Verfahrensschrittprocess step
- M3M3
- Verfahrensschrittprocess step
- M4M4
- Verfahrensschrittprocess step
- M5M5
- Verfahrensschrittprocess step
- M6M6
- Verfahrensschrittprocess step
- M7M7
- Verfahrensschrittprocess step
- M8M8
- Verfahrensschrittprocess step
Claims (10)
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-
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- 2017-12-07 DE DE102017222139.9A patent/DE102017222139B4/en active Active
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