DE102018104519A1

DE102018104519A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Überwachen eines Infiltrierens während einer Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils

Info

Publication number: DE102018104519A1
Application number: DE102018104519.0A
Authority: DE
Inventors: Marcin Malecha; Jan Faber
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-08-29

Abstract

Vorrichtung (124) zum Überwachen eines Infiltrierens während einer unterdruckunterstützten Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (100) in einem evakuierbaren Formraum (108), wobei die Fasern mit flüssigem Kunststoff (120) infiltriert werden, wobei die Vorrichtung (124) wenigstens einen kabellosen Sensor (128) mit einem piezoelektrischen Trägermaterial (132) und auf dem Trägermaterial (132) angeordneten ineinandergreifenden Strukturen (134) aufweist, die wenigstens einen interdigitalen Wandler bilden, und Verfahren zum Überwachen eines Infiltrierens während einer unterdruckunterstützten Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (100) in einem evakuierbaren Formraum (108), wobei die Fasern mit flüssigem Kunststoff (120) infiltriert werden, wobei mithilfe einer Vorrichtung (124) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche eine Temperatur, eine Benetzung der Fasern mit flüssigem Kunststoff (120) und/oder eine Viskosität des flüssigen Kunststoffs (120) kabellos sensiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines Infiltrierens während einer unterdruckunterstützten Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils in einem evakuierbaren Formraum, wobei die Fasern mit flüssigem Kunststoff infiltriert werden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Infiltrierens während einer unterdruckunterstützten Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils in einem evakuierbaren Formraum, wobei die Fasern mit flüssigem Kunststoff infiltriert werden.
Aus dem Dokument DE 100 13 409 C1 ist ein Verfahren bekannt zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material mit den Schritten: Anordnen des Faserverbund-Halbzeugs auf einem Werkzeug, wobei an einer Oberfläche des Halbzeugs eine Fließhilfe angeordnet ist, Bildung eines ersten Raums mittels einer gasdurchlässigen und matrixmaterialundurchlässigen Membran zumindest einseitig um das Halbzeug herum, wobei in den ersten Raum Matrix-Material einführbar ist, Bildung eines am ersten Raum anliegenden zweiten Raums, der von der Umgebung mittels einer gas- und matrixmaterialundurchlässigen, gegenüber dem Werkzeug abgedichteten Folie abgegrenzt ist, Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum, wodurch Matrix-Material aus dem Vorratsbehälter in den evakuierten ersten Raum gesaugt wird und die Fließhilfe eine Verteilung des Matrixmaterials über der dieser zugewandten Oberfläche des Halbzeugs und ein Eindringen desselben senkrecht in das Halbzeug bewirkt.
Aus dem Dokument DE 201 02 569 U1 ist eine Anordnung bekannt zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Werkstoff mittels Harzimprägnierung eines Faserhalbzeugs, umfassend eine Form; eine Vakuumfolie, mittels welcher ein Vakuumraum herstellbar ist, in welchem das Faserhalbzeug auf der Form positionierbar ist, wobei der Vakuumraum mit Unterdruck beaufschlagbar ist und eine Zuführungsvorrichtung für flüssiges Harz zu dem Faserhalbzeug, bei der Unterdruckbeaufschlagung und Temperatur bei der Harzimprägnierung so steuerbar und/oder regelbar sind, dass bezogen auf das flüssige Harz die Siedepunktkurve nicht überschritten wird. In dem Dokument DE 201 02 569 U1 wird vorgeschlagen, einen oder mehrere Drucksensoren zur Druckmessung vorzusehen und eine Mehrzahl von Temperatursensoren an der Vakuumfolie anzuordnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung baulich und/oder funktional zu verbessern. Außerdem liegt der der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangsgenanntes Verfahren zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil kann ein Fahrzeugbauteil sein. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug, Kraftfahrzeug, Luftfahrzeug, Wasserfahrzeug oder Raumfahrzeug sein. Das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil kann ein großflächiges Bauteil sein. Das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil kann ein Rumpfteil eines Luftfahrzeugs sein. Das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil kann ein Flügelteil eines Luftfahrzeugs sein. Das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil kann ein Strukturbauteil sein.
Zum Herstellen des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils kann ein Faserhalbzeug verwendet werden. Das Faserhalbzeug kann organische Fasern, wie Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, Plexiglas-Fasern, und/oder anorganische Fasern, wie Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, aufweisen. Die Fasern können Filamente aufweisen. Die Filamente können zu Rovings zusammengefasst sein. Die Fasern können als Gewebe, Gewirk, Gestrick, Geflecht oder Nähgewirke vorliegen. Die Fasern können als Textilie vorliegen. Das Faserhalbzeug kann eine Lage oder mehrere Lagen aufweisen.
Das Faserhalbzeug kann ein trockenes Faserhalbzeug sein. Das Faserhalbzeug kann mit einem Matrixmaterial infiltrierbar sein. Das Faserhalbzeug kann biegeschlaff sein. Das Faserhalbzeug kann ein mit einem Matrixmaterial vorimprägniertes Faserhalbzeug sein. Das Faserhalbzeug kann ein Prepreg sein. Das Faserhalbzeug kann eigensteif sein. Das Faserhalbzeug kann konfektioniert sein. Ein Konfektionieren kann ein Zuschneiden, Zusammensetzen und/oder Fügen, wie Kleben, Schweißen und/oder Nähen, umfassen.
Zum Herstellen des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils kann ein Kunststoff verwendet werden, der als Matrixmaterial dient. Das Matrixmaterial kann thermoplastisch sein. Das Matrixmaterial kann Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE) aufweisen. Das Matrixmaterial kann duroplastisch sein. Das Matrixmaterial kann Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR) und/oder Aminoharze, wie Melaminharz (MF/MP) oder Harnstoffharz (UF), aufweisen. Das Matrixmaterial kann Benzoxaine aufweisen.
Das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil kann mithilfe eines autoklavbasierten Verfahrens hergestellt werden. Dabei können vorimprägnierte Fasermatten gestapelt und anschließend in einem Autoklav unter Temperatureinwirkung ausgehärtet werden. Das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil kann mithilfe eines ofenbasierten Verfahrens hergestellt werden. Dabei können trockene Fasermatten gestapelt, anschließend mit flüssigem Harz getränkt und danach in einem Umluftofen unter Temperatureinwirkung ausgehärtet werden.
Der Formraum kann mithilfe eines offenen Formwerkzeugs und einer Decklage gebildet sein. Das Formwerkzeug kann eine Formfläche aufweisen. Das Formwerkzeug kann eigensteif sein. Die Decklage kann biegeschlaff sein. Die Decklage kann gasdicht und/oder matrixmaterialdicht sein. Die Decklage kann mit dem Formwerkzeug dicht verbunden sein. Die Decklage kann an einem Randabschnitt mit dem Formwerkzeug dicht verbunden sein. Die Decklage kann umlaufend mit dem Formwerkzeug dicht verbunden sein.
Die Vorrichtung kann eine Unterdruckerzeugungsvorrichtung aufweisen. Der Formraum kann durch Anlegen eines Unterdrucks evakuierbar sein. „Evakuieren“ kann „Absaugen“ bedeuten. Der Formraum kann von einem Gas evakuierbar sein. Das Gas kann Luft und/oder ein Reaktionsgas sein. Das Faserhalbzeug kann in dem Formraum angeordnet sein.
Zwischen dem Faserhalbzeug und der Decklage kann eine Membran angeordnet sein. Die Membran kann biegeschlaff sein. Die Membran kann gasdurchlässig und/oder matrixmaterialdicht sein. Die Membran kann mit dem Formwerkzeug dicht verbunden sein. Die Membran kann an einem Randabschnitt mit dem Formwerkzeug dicht verbunden sein. Die Membran kann umlaufend mit dem Formwerkzeug dicht verbunden sein. Ein unterstützender Unterdruck kann zwischen der Membran und der Decklage aufgebracht werden. Bei einem Evakuieren kann Gas die Membran durchdringen, während flüssiger Kunststoff zurückgehalten wird.
Zwischen der Membran und der Decklage kann wenigstens eine Hilfslage angeordnet sein. Die wenigstens eine Hilfslage kann dazu dienen, während eines Evakuierens des Formraums eine Gasströmung zu gewährleisten. Die wenigstens eine Hilfslage kann dazu dienen, die Membran und die Decklage voneinander beabstandet zu halten. Die wenigstens eine Hilfslage kann eine Gasführungsanordnung sein.
Zwischen dem Faserhalbzeug und der Membran kann wenigstens eine Hilfslage angeordnet sein. Die wenigstens eine Hilfslage kann dazu dienen, eine vorbestimmte Bauteiloberfläche zu erzeugen. Die wenigstens eine Hilfslage kann eine Entkoppelungsschicht sein. Die wenigstens eine Hilfslage kann ein Abreißgewebe sein. Die wenigstens eine Hilfslage kann dazu dienen, die Membran und/oder wenigstens eine weitere Hilfslage von dem Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil zu lösen. Die wenigstens eine Hilfslage kann eine Trennfolie sein. Die Trennfolie kann gelocht sein. Die wenigstens eine Hilfslage kann dazu dienen, eine Kunststoffverteilung zu beeinflussen. Die wenigstens eine Hilfslage kann ein Harzfließ sein.
„Infiltrieren“ kann bedeuten, dass ein trockenes Faserhalbzeug mit flüssigem Kunststoff beaufschlagt wird. Dabei kann flüssiger Kunststoff zwischen Formwerkzeug und Membran eingeleitet werden. „Infiltrieren“ kann bedeuten, dass der Kunststoff eines vorimprägnierten Halbzeugs verflüssigt wird.
Zum Überwachen des Infiltrierens kann wenigsten ein für den flüssigen Kunststoff charakteristischer Parameter überwacht werden. Zum Überwachen des Infiltrierens kann/können eine Temperatur des flüssigen Kunststoffs, eine Benetzung der Fasern mit flüssigem Kunststoff und/oder eine Viskosität des flüssigen Kunststoffs überwacht werden.
Der wenigstens eine kabellose Sensor kann zum kabellosen Übertragen von Signalen dienen. Der wenigstens eine kabellose Sensor kann dazu dienen, Signale mithilfe von elektromagnetischen Wellen zu übertragen. Der wenigstens eine kabellose Sensor kann dazu dienen, Signale mithilfe von elektromagnetischen Wellen im Radiofrequenzbereich zu übertragen. Die Wellen können gerichtet oder ungerichtet sein. Das piezoelektrische Trägermaterial kann eine plattenartige Form aufweisen. Das piezoelektrische Trägermaterial kann eine flächige Form aufweisen. Das piezoelektrische Trägermaterial kann eine ebene Form aufweisen.
Das piezoelektrische Trägermaterial kann eine einfach oder mehrfach gekrümmte Form aufweisen. Das piezoelektrische Trägermaterial kann aus einem piezoelektrischen Einkristall hergestellt sein.
Die ineinandergreifenden Strukturen können jeweils einen Rückenabschnitt und Fingerabschnitte aufweisen. Die Strukturen können mit ihren Fingerabschnitten kammartig ineinandergreifend angeordnet sein. Die Strukturen können jeweils einen Antennenabschnitt aufweisen. Die Antennenabschnitte können über das Trägermaterial hinaus ragen. Die Antennenabschnitte können an dem Trägermaterial angeordnet sein. Die Antennenabschnitte können innerhalb eines Rands des Trägermaterials angeordnet sein. Die Strukturen können Metallstrukturen sein. Die Strukturen können Elektroden bilden. Die Strukturen können paarweise angeordnet sein. Der wenigstens eine Sensor kann wenigstens ein Paar ineinandergreifender Strukturen aufweisen.
Der wenigstens eine Sensor kann wenigstens einen Reflektor aufweisen. Der wenigstens eine Reflektor kann auf dem Trägermaterial angeordnet sein. Der wenigstens eine Reflektor kann ein metallischer Reflektor sein. Der wenigstens eine Reflektor kann dazu dienen, Oberflächenwellen zu reflektieren. Der wenigstens eine Reflektor kann von dem wenigstens einen interdigitalen Wandler einen vorgegebenen Abstand aufweisen. Der interdigitale Wandler kann auch als Interdigitaltransducer bezeichnet werden. Der wenigstens eine Reflektor und sein Abstand von dem wenigstens einen interdigitalen Wandler können auf eine Mittenfrequenz abgestimmt sein. Der wenigstens eine Sensor kann mehrere Reflektoren aufweisen. Die Reflektoren können von dem wenigstens einen interdigitalen Wandler jeweils unterschiedlich beabstandet sein.
Die Vorrichtung kann mehrere Sensoren aufweisen. Die Sensoren können ein Sensorarray bilden. Die Sensoren können gesondert auslesbar sein.
Der wenigstens eine Sensor kann an dem Bauteil anordenbar sein. Der wenigstens eine Sensor kann an dem Formraum anordenbar sein. Der wenigstens eine Sensor kann an dem Formwerkzeug anordenbar sein. Der wenigstens eine Sensor kann an der Formfläche anordenbar sein. Der wenigstens eine Sensor kann an der Decklage anordenbar sein. Der wenigstens eine Sensor kann an der Membran anordenbar sein. Der wenigstens eine Sensor kann an der wenigstens einen Hilfslage anordenbar sein.
Mithilfe des wenigstens einen Sensors kann ein Trägersignal modifizierbar sein. Das Trägersignal kann ein elektromagnetischer Impuls sein. Das Trägersignal können Oberflächenwellen sein. Die Oberflächenwellen können akustische Oberflächenwellen sein. Die Oberflächenwellen können Rayleigh-Wellen sein. Das Trägersignal kann modifizierbar sein, um eine Temperatur, eine Benetzung der Fasern mit flüssigem Kunststoff und/oder eine Viskosität des flüssigen Kunststoffs zu sensieren. Eine Laufzeit der Oberflächenwellen kann modifizierbar sein. Signalhöchstwerte der Oberflächenwellen können modifizierbar sein.
Mithilfe des wenigstens einen Sensors kann ein Trägersignal kabellos empfangbar sein. Die Vorrichtung kann einen Sender zum Senden eines Trägersignals an den wenigstens einen Sensor aufweisen. Mithilfe des wenigstens einen Sensors kann ein Trägersignal kabellos sendbar sein. Die Vorrichtung kann einen Empfänger zum Empfangen eines Trägersignals von dem wenigstens einen Sensor aufweisen. Der Sender und/oder der Empfänger können/kann von dem Bauteil, dem Formraum, dem Formwerkzeug, der Formfläche, der Decklage, der Membran und/oder der wenigstens einen Hilfslage entfernt anordenbar sein. Der Sender und/oder der Empfänger können/kann zumindest teilweise innerhalb eines Autoklavs oder Ofens anordenbar sein.
Die Vorrichtung kann eine Infusionseinrichtung zum Infiltrieren der Fasern mit flüssigem Kunststoff aufweisen. Die Infusionseinrichtung kann eine Mischeinrichtung aufweisen. Die Vorrichtung kann eine elektrische Kontrolleinrichtung aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann zum Kontrollieren des Senders, des Empfängers und/oder der Infusionseinrichtung dienen. Das Kontrollieren kann ein Steuern oder Regeln sein.
Die Vorrichtung kann einen Arbeitsraum aufweisen. Der wenigstens eine Sensor kann während der Herstellung des Bauteils in dem Arbeitsraum angeordnet sein. Der Sender kann in dem Arbeitsraum angeordnet sein. Der Empfänger kann in dem Arbeitsraum angeordnet sein. Die elektrische Kontrolleinrichtung kann außerhalb des Arbeitsraums angeordnet sein. Die Infusionseinrichtung kann zumindest teilweise außerhalb des Arbeitsraums angeordnet sein.
Mithilfe der Vorrichtung kann eine Fließfront des flüssigen Kunststoffs kabellos sensiert werden. Die Infusionseinrichtung kann mithilfe der elektrischen Kontrolleinrichtung kontrolliert werden. Die Infusionseinrichtung kann unter Berücksichtigung eines Signals des wenigstens einen Sensors kontrolliert werden. Der Autoklav oder Ofen kann mithilfe der elektrischen Kontrolleinrichtung kontrolliert werden. Der Autoklav oder Ofen kann unter Berücksichtigung eines Signals des wenigstens einen Sensors kontrolliert werden. Die Unterdruckerzeugungseinrichtung kann mithilfe der elektrischen Kontrolleinrichtung kontrolliert werden. Die Unterdruckerzeugungseinrichtung kann unter Berücksichtigung eines Signals des wenigstens einen Sensors kontrolliert werden.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergeben sich somit durch die Erfindung unter anderem funktionalisierte Hilfsstoffe zur CFK-Infiltration mithilfe von kabellosen Sensoren auf Basis akustischer Oberflächenwellen.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.
Mit der Erfindung wird die Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils vereinfacht, eine Bauteilqualität wird erhöht, eine Prozesssicherheit wird erhöht, eine Flexibilität wird erhöht, ein Aufwand, wie Kostenaufwand, Arbeitsaufwand und/oder Zeitaufwand, wird reduziert, eine Leckagegefahr wird reduziert, eine aushärtegradbezogene Steuerung wird ermöglicht, eine Kunststoffmenge ist kontrollierbar, eine Kunststoffverteilung ist kontrollierbar, ein Harzfrontverlauf kann beobachtet werden, Unregelmäßigkeiten eines Kunststoffflusses können vermieden werden, Fehlerstellen können vermieden werden, ein quantitatives Kontrollieren eines Kunststoffflusses wird ermöglicht, ein Aushärtegrad eines Kunststoffs kann bestimmt werden, ein Autoklav- oder Ofenprozess kann an eine Aushärtung eines Kunststoffs angepasst werden, eine kabellose Datenerfassung wird ermöglicht, zusätzliche Prozessdaten können ohne Beeinflussung eines Prozesses erfasst werden, die Vorrichtung kann ohne gesonderte Anpassung nachgerüstet werden und/oder ein Fertigungsprozess kann ohne signifikanten Eingriff in bestehende Abläufe optimiert werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:

1 ein Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils in einem Arbeitsraum mithilfe einer Vorrichtung zum Überwachen und Kontrollieren eines Infiltrierens,
2 ein Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils in einem evakuierbaren Formraum, wobei die Fasern mit flüssigem Kunststoff infiltriert werden,
3 eine Vorrichtung zum Überwachen eines Infiltrierens mit einem Sender, einem kabellosen Sensor und einem Empfänger,
4 ein von reflektierten unmodifizierten Oberflächenwellen induziertes Signal und
5 ein von reflektierten modifizierten Oberflächenwellen induziertes Signal.

1 zeigt ein Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils 100 in einem Arbeitsraum 102 eines Autoklavs oder Ofens mithilfe einer Vorrichtung zum Überwachen und Kontrollieren eines Infiltrierens.
Bei einem autoklavbasierten Verfahren wird ein mit Kunststoff, wie Harz, als Matrixmaterial imprägniertes Faserhalbzeug, das auch als Prepregs bezeichnet wird, gestapelt und anschließend in dem Arbeitsraum 102 des Autoklavs unter Temperatureinwirkung ausgehärtet. Bei einem ofenbasierten Verfahren wird ein trockenes Faserhalbzeug gestapelt, anschließend mit flüssigem Kunststoff, wie Harz, als Matrixmaterial getränkt und danach in einem Umluftofen unter Temperatureinwirkung ausgehärtet. Die Prozessparameter Temperatur, Druck und Zeit werden je nach Bauteil und Kunststoffsystem variiert.
Das Herstellen des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils 100 erfolgt dabei unterdruckunterstützt. Aufgrund eines Druckunterschieds zur Umgebung wird bei dem autoklavbasierten Verfahren ein Lagenaufbau konsolidiert bzw. bei dem ofenbasierten Verfahren der Kunststoff infiltriert.
Damit an dem Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil 100 ein Unterdruck erzeugt werden kann, wird beispielsweise ein wie in 2 gezeigter Aufbau verwendet. Eine gasdichte und matrixmaterialdichte Decklage 104 wird dicht mit einem offenen Formwerkzeug 106 verbunden, um einen Formraum 108 zu bilden. Der Formraum 108 kann durch Anlegen eines Unterdrucks evakuiert werden.
Das Faserhalbzeug 110 wird an einer Formfläche des Formwerkzeugs 106 in dem Formraum 108 angeordnet. An dem Faserhalbzeug 110 wird ein Abreißgewebe 112 angeordnet. Das Abreißgewebe 112 dient dazu, eine definierte Bauteiloberfläche zu erzeugen und das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil 100 nach einem Aushärteprozess freizulegen. An dem Abreißgewebe 112 wird eine gelochte Trennfolie 114 angeordnet. An der Trennfolie 114 wird ein Kunststoffvlies 116 angeordnet. Die Trennfolie 114 und das Kunststoffvlies 116 dienen dazu, eine Kunststoffverteilung zu beeinflussen. An dem Kunststoffvlies 116 wird eine gasdurchlässige und matrixmaterialdichte Membran 118 angeordnet. Die Membran 118 wird dicht mit dem Formwerkzeug 106 verbunden. Bei einem Evakuieren des Formraums 108 kann Gas die Membran 118 durchdringen, während flüssiger Kunststoff 120 zurückgehalten wird. An der Membran 118 wird ein gasdurchlässiges Abstandsgewebe 122, ein sogenannter Breather, angeordnet. Das Abstandsgewebe 122 dient dazu, während eines Evakuierens des Formraums 108 eine Gasströmung zu gewährleisten. Die Decklage 104 wird an dem Abstandsgewebe 122 angeordnet. Das Abreißgewebe 112, die Trennfolie 114, das Kunststoffvlies 116 und das Abstandsgewebe 122 sind Hilfsstoffe.
Der in 2 gezeigte Aufbau wird auf Dichtigkeit getestet, danach erfolgt ein Infiltrieren des Faserhalbzeugs 110 mit flüssigen Kunststoff 120, wobei zwischen der Decklage 104 und der Membran 118 ein Unterdruck angelegt wird, und bei einer ofenbasierten Fertigung eine Aushärtung bzw. bei einer autoklavbasierten Fertigung eine Kunststoffkonsolidierung. Nachdem der Aushärtevorgang bzw. Konsolidierung abgeschlossen ist, werden die Decklage, 104, die Membran 118 und die Hilfsstoffe entfernt. Abschließend kann das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil 100 entformt und nachbearbeitet werden.
3 zeigt eine Vorrichtung 124 zum Überwachen eines Infiltrierens des Faserhalbzeugs 110 mit flüssigen Kunststoff 120. Die Vorrichtung 124weist einen Sender 126, einen kabellosen Sensor 128 und einen Empfänger 130 auf.
Der kabellose Sensor 128 weist ein piezoelektrisches Substrat 132 auf, auf dem eine metallische Struktur 134 in Form von zwei kammartigen Leiterbahnen aufgebracht ist und bildet damit einen interdigitalen Wandler. Außerhalb des Substrats 132 weist die Struktur 134 zwei Antennen 136, 138 auf. Auf dem Substrat 132 sind metallische Reflektoren 140 aufgebracht.
Um ein Infiltrierens des Faserhalbzeugs 110 mit flüssigen Kunststoff 120 zu überwachen, wird mithilfe des Senders 126 ein auf den Abstand der einzelnen Fingerpaare des interdigitalen Wandlers bezüglich einer Frequenz abgestimmter elektromagnetischer Impuls erzeugt. Der Impuls bildet ein ausgehendes Trägersignal 142 und induziert beim Auftreffen auf die Antennen 136, 138 ein Wechselspannungssignal, das die Finger des interdigitalen Wandlers zum Schwingen angeregt. Die Schwingungen erzeugen durch piezoelektrische Kopplung auf einer Oberfläche des Substrats 132 sich zu beiden Seiten ausbreitende Oberflächenwellen 144.
Die Oberflächenwellen 144 bewegen sich mit einer dem Substrat 132 spezifischen Ausbreitungsgeschwindigkeit entlang des Substrats 132, bis sie an den Reflektoren 140 teilweise reflektiert werden. Die an den Reflektoren 140 entstandenen rückläufigen Oberflächenwellen 146 bewegen sich in Richtung des interdigitalen Wandlers. Nachdem der Impuls abgeklungen ist, sind die Fingerpaare des interdigitalen Wandlers solange regungslos, bis sie von den reflektierten Oberflächenwellen 146 wieder zum Schwingen angeregt werden. Durch diese Anregung wird an den Antennen 136, 138 ein ausgehendes Trägersignal 148 induziert und von dem Empfänger 130 in einer Zeitauflösung registriert.
Beim Design des Sensors 128 wird folgendes berücksichtigt:

- Die Wahl des Substratmaterials hängt von der gewünschten Sensorgröße, der eingesetzten Frequenz und der Funktionalität ab, wie Temperaturbereich, Auflösung der Temperatur- und Viskositätsmessung, Länge der Funkstrecke.
- Das Design des interdigitalen Wandlers hängt von der verwendeten Frequenz ab.
- Die Anordnung der Reflektoren 140 soll den verwendeten Wellenlängen und dem verwendeten Substrat 132 angepasst sein. Zudem kann über die Anordnung der Reflektoren 140 eine eindeutige Identifizierung des Sensors 128 erreicht werden.

4 zeigt das von den reflektierten unmodifizierten Oberflächenwellen 146 ausgehende Trägersignal 148 in zeitlichem Verlauf. Den Empfänger 130 erreicht eine Serie von Signalen der an den Reflektoren 140 reflektierten Oberflächenwellen 146, die in dem interdigitalen Wandler in eine Funkwelle gewandelt werden. Üblicherweise ist das Signal verrauscht und enthält Reflexionen, die an Substratkanten, wie Störstellen im Kristall, Mehrfachreflexionen, usw., auftreten. Bei Kenntnis des Sensordesigns kann auf die Proben-ID und durch entsprechende Kalibrierung auf den Zustand der Probe rückgeschlossen werden. Anhand der Kalibrierung kann die Veränderung des Sensors 128 abgelesen werden.
Eine Veränderung der Laufzeiten, einer Absolutposition der Maximalwerte, geht mit der Veränderung der Temperatur des Sensors 128 einher, da sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen 144, 146 mit einer temperaturabhängigen Veränderung der Kristallstruktur ändert. Dies kann zur direkten Temperaturmessung benutzt werden. Die Höhe der Maximalwerte hängt unter anderem von dem auf dem Substrat 132 aufgebrachten Material und seiner Viskosität ab: je mehr Material und je kleiner die Viskosität, desto größer die Dämpfung. Mit dieser Eigenschaft kann der Sensor 132 zunächst eine Benetzung mit flüssigem Kunststoff 120 detektieren und im späteren Verlauf den Aushärtegrad des Kunststoffs 120 anzeigen. Zudem beeinflusst noch die aufgebrachte Materialmenge die Resonanzfrequenz des interdigitalen Wandlers. 5 zeigt das von den reflektierten modifizierten Oberflächenwellen 146 induzierte Signal in zeitlichem Verlauf. Abweichend von dem Signal 150 der unmodifizierten Oberflächenwellen 146 weist ein durch eine Temperatur modifiziertes Signal 152 niedrigere Maximalwerte und ein durch einen Materialauftrag modifiziertes Signal 154 zeitlich verschobene Maximalwerte auf.
Durch die eindeutige Signalzuordnung zum Sensor 128 kann auf einem großen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil 100 ein ganzes Sensorarray aufgebaut und einzeln ausgelesen werden. Eine entsprechende Vorrichtung mit Sende- und Empfangseinheit und kodierten Antwortsignalen kann nahezu konstant die Sensoren 128 bzgl. der Temperatur und der Kunststoffüberdeckung bzw. Kunststoffaushärtung überwachen. Mithilfe einer Hochtemperaturantenne kann die Vorrichtung außerhalb des Arbeitsraums 102 eines Aushärteofens oder Autoklavs platziert werden und nur die Antenne 136, 138 wird hohen Temperaturen und/oder Druck ausgesetzt.
Mit den Daten der Sensoren 128 kann bei einer entsprechenden Bauteilüberdeckung durch flüssigen Kunststoff 120 in Echtzeit der Kunststoffverlauf während des Infiltrations- bzw. Aushärteprozesses überwacht werden. Dadurch wird es möglich eine mit einer entsprechenden Schnittstelle ausgestatteten Kunststoffmischanlage oder einen Ofen/Autoklav bedarfsgerecht zu steuern.
Dank der sehr kleinen Bauweise und den geringen Herstellungskosten der Sensoren 128 können sie in großer Zahl als Wegwerfsensoren ohne eine umständliche Verdrahtung für den Infiltrations-/Aushärteprozess eingesetzt werden. Sie können sowohl im Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil 100 wie auch in Form von funktionalisierten Hilfsstoffen eingesetzt werden ohne die Bauteilqualität negativ zu beeinflussen.
Wie 1 zeigt, befindet sich in dem Arbeitsraum 102 des Ofens oder Autoklavs das Formwerkzeug 106 und darauf das Faserhalbzeug 110. Das Faserhalbzeug 110 ist mit einem wie in 2 gezeigten Aufbau abgedichtet. In den Hilfsstoffen sind die kabellosen Sensoren 128 eingebracht. Die Fixierung der Sensoren 128 auf den Hilfsstoffen erfolgt beispielsweise durch Nähen oder Kleben. Über eine elektrische Kontrolleinrichtung 156 welche den Sender 126 und den Empfänger 130 enthält, werden gepulste Signale erzeugt. Die Signale werden über eine Hochfrequenzleitung 158 sowie die Antenne 160 in die Wandler der Sensoren 128 eingeleitet. Das Antwortsignal gelangt über den gleichen Weg von den Wandlern der Sensoren 128 zurück zu der elektrischen Kontrolleinrichtung 156. Auf Grundlage der oben beschriebenen Wechselwirkungen zwischen dem einströmenden flüssigen Kunststoff 120 und den Elektroden der Sensoren 128 kann eine Fließfront 162 detektiert werden. Die empfangenen Sensordaten können anschließend ausgewertet und zur Steuerung einer Infusionseinrichtung 164 zum Infiltrieren des Faserhalbzeugs 110 mit flüssigem Kunststoff 120 verwendet werden. Je nach Fließfrontverlauf können/kann beispielsweise Zuführungskanäle 166 geöffnet/geschlossen und/oder ein Infusionsdruck variiert werden. Dadurch kann die Steuerung des Zuflusses der Kunststoffmenge über die entsprechend dem Bauteil dimensionierten und angeordneten Zuführungskanäle 166 aus der Infusionseinrichtung 164 erfolgen. Nach dem vollständigen Benetzen des Faserhalbzeugs 110 kann mithilfe der Antwortfunktion der Sensoren 128 auf eine Temperatur und eine Viskosität des Kunststoffs 120 und somit auch auf einen Aushärtegrad geschlossen werden.
Die Aushärtung kann unter hoher Temperatur, beispielsweise bis ca. 180°C in einem Umluftofen stattfinden. Die im Verlauf des Prozesses durch den Unterdruck in das Faserhalbzeug 110 infiltrierte Kunststoffmenge solle eine exakte Menge sowie eine homogene Verteilung im Faserhalbzeug 110 aufweisen. Die Beobachtung des Verlaufs der Fließfront 162 des Kunststoffs stellt daher aufgrund der Unzugänglichkeit im Ofen/Autoklav und der Notwendigkeit der korrekten Verteilung der Kunststoffmenge eine nicht unerhebliche Herausforderung dar. Im Speziellen für große Strukturbauteile aus der Luftfahrtindustrie, wie seitliche Schalen oder die Druckkalotte, bei denen ein Anguss des Kunststoffs an mehreren Stellen erfolgt, können schon geringe Unregelmäßigkeiten des Kunststoffflusses zu einem Ausschussbauteil führen und damit sehr hohe Kosten verursachen. Fehlstellen können nicht durchtränkte Bereiche oder Poren sein. Mithilfe von verlässlichen Daten bezüglich der Position und der Geschwindigkeit der Fließfront 162 des Kunststoffs sowie der Viskosität und der Temperatur des Kunststoffs 120 wird eine quantitative Regelung des Kunststoffflusses möglich. Weiterhin kann der Aushärtegrad bestimmt und somit der Ofen-/Autoklavprozess an die Vernetzungsreaktion des Kunststoffs angepasst werden.
Ein großer Vorteil der Erfindung liegt in der kabellosen Datenerfassung. Ohne den herkömmlichen Aufbauprozess zu beeinflussen, können zusätzliche Prozessdaten erfasst werden. Weiterhin können bisherige Aushärteformen ohne zusätzliche Anpassungen eingesetzt werden. Zusammengefasst ermöglichen die funktionalisierten Hilfsstoffe mit kabellosen Oberflächenwellensensoren 128 die Optimierung von Fertigungsprozessen ohne einen signifikanten Eingriff in bestehende Abläufe.
Bezugszeichenliste

100: Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil
102: Arbeitsraum
104: Decklage
106: Formwerkzeug
108: Formraum
110: Faserhalbzeug
112: Abreißgewebe
114: Trennfolie
116: Kunststoffvlies
118: Membran
120: Kunststoff
122: Abstandsgewebe
124: Vorrichtung
126: Sender
128: Sensor
130: Empfänger
132: Trägermaterial, Substrat
134: Struktur
136: Antenne
138: Antenne
140: Reflektoren
142: Trägersignal
144: Oberflächenwellen
146: Oberflächenwellen
148: Trägersignal
150: Signal
152: Signal
154: Signal
156: Kontrolleinrichtung
158: Hochfrequenzleitung
160: Antenne
162: Fließfront
164: Infusionseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10013409 C1 [0002]
DE 20102569 U1 [0003]

Claims

Vorrichtung (124) zum Überwachen eines Infiltrierens während einer unterdruckunterstützten Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (100) in einem evakuierbaren Formraum (108), wobei die Fasern mit flüssigem Kunststoff (120) infiltriert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (124) wenigstens einen kabellosen Sensor (128) mit einem piezoelektrischen Trägermaterial (132) und auf dem Trägermaterial (132) angeordneten ineinandergreifenden Strukturen (134) aufweist, die wenigstens einen interdigitalen Wandler bilden.
Vorrichtung (124) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (128) wenigstens einen auf dem Trägermaterial (132) angeordneten metallischen Reflektor (140) aufweist.
Vorrichtung (124) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (124) mehrere Sensoren (128) aufweist und die mehreren Sensoren (128) ein Sensorarray bilden.
Vorrichtung (124) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (128) an dem Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil (100) und/oder an dem Formraum (108) anordenbar ist.
Vorrichtung (124) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe des wenigstens einen Sensors (128) ein Trägersignal (142) modifizierbar ist.
Vorrichtung (124) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersignal (142) modifizierbar ist, um eine Temperatur, eine Benetzung der Fasern mit flüssigem Kunststoff (120) und/oder eine Viskosität des flüssigen Kunststoffs (120) zu sensieren.
Vorrichtung (124) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe des wenigstens einen Sensors (128) ein Trägersignal (142) kabellos empfangbar und/oder ein Trägersignal (148) kabellos sendbar ist.
Vorrichtung (124) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (124) einen Sender (126) zum Senden eines Trägersignals (142) an den wenigstens einen Sensor (128) und/oder einen Empfänger (130) zum Empfangen eines Trägersignals (148) von dem wenigstens einen Sensor (128) aufweist.
Vorrichtung (124) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (124) eine Infusionseinrichtung (164) zum Infiltrieren der Fasern mit flüssigem Kunststoff (120) aufweist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine elektrische Kontrolleinrichtung (156) zum Kontrollieren des Sender (126), des Empfängers (130) und/oder der Infusionseinrichtung (164) aufweist.
Vorrichtung (124) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (124) einen Arbeitsraum (102) aufweist, der wenigstens eine Sensor (128) während der Herstellung des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (100) in dem Arbeitsraum (102), der Sender (126) in dem Arbeitsraum (102), der Empfänger (130) in dem Arbeitsraum (102) und/oder die elektrische Kontrolleinrichtung (156) außerhalb des Arbeitsraums (102) angeordnet ist.
Verfahren zum Überwachen eines Infiltrierens während einer unterdruckunterstützten Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (100) in einem evakuierbaren Formraum (108), wobei die Fasern mit flüssigem Kunststoff (120) infiltriert werden, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe einer Vorrichtung (124) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche eine Temperatur, eine Benetzung der Fasern mit flüssigem Kunststoff (120) und/oder eine Viskosität des flüssigen Kunststoffs (120) kabellos sensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mithilfe eine Vorrichtung (124) nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 11 durchgeführt wird, wobei die Infusionseinrichtung (164) mithilfe der elektrischen Kontrolleinrichtung (156) kontrolliert wird.