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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Modul zur Bestimmung der Qualität, insbesondere des Karbonisierungsgrades von Kohlenstofffasern, während ihrer Herstellung.
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Kohlenstofffasern (CF) besitzen ein enormes Potential hinsichtlich Leichtbau sowie anwendungs- und eigenschaftsoptimierter Werkstoffgestaltung. Es wird von einer 2-stelligen Wachstumsrate von 10 bis 13 % ausgegangen, wobei 2020 erstmals mehr als 100.000 t Kohlenstofffasern hergestellt werden könnten. Diese Fasern liegen hauptsächlich als Endlosfasern vor, die als textile Halbzeuge insbesondere in Form von Geweben, Geflechten, Gelegen, Multiaxialgelegen und Gestricken verarbeitet werden. Die Weiterverarbeitung kann auch direkt beim CFK-Hersteller insbesondere durch Wickelverfahren, Pultrusion o.ä. erfolgen. Mehr als 98% dieser Kohlenstofffasern werden in CFK-Werkstoffen (kohlefaserverstärkter Kunststoff) eingesetzt, so dass sich dieser Markt mit gleichem oben genannten prozentualen Wachstum entwickelt. Der Kostenanteil der Kohlenstofffaser im CFK beträgt dabei bis zu 40 %.
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Der Einsatz der Kohlenstofffasern im CFK führt dazu, dass sich die Weiterverarbeiter der Kohlenstofffasern (Textil- und CFK-Hersteller) einen Qualitätspass wünschen, in welchem die Eigenschaften der Kohlenstofffasern ausgewiesen sind. Die Forderung besteht darin, dass in einem Begleitschein ersichtlich sein soll, dass die Eigenschaften der Kohlenstofffasern sowohl über die Fadenlänge einer Spule als auch zwischen den Spulen einer bzw. unterschiedlichen Chargen gleich sind. Abweichungen der Eigenschaften sollen automatisch reguliert und gleichzeitig bei Erfordernis detektiert, markiert, ggf. herausgeschnitten und durch automatisches Knoten/Spleißen der kontinuierliche Faden wiederhergestellt werden. Das kann am einfachsten über die Messung der Oberflächeneigenschaften erfolgen, wenn eine Korrelation mit den mechanischen Eigenschaften, die nur sehr aufwändig und zerstörend und zeitversetzt prüfbar sind, nachgewiesen werden.
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Kohlenstofffasern werden aus verschiedenen gesponnenen Präkursorfasern hergestellt, wobei Polyacrylnitril (PAN) das weitaus häufigste Basispolymer für Präkursorfasern ist, dem herstellerspezifisch Comonomere zugemischt werden. Diese Präkursorfasern werden anschließend einer thermischen Nachbehandlung zugeführt, die aus den Teilprozessen Stabilisierung, Karbonisierung und bei Bedarf Graphitisierung besteht. Diese Prozesse finden in Öfen statt, in denen eine bestimmte Gasatmosphäre (prozess- und temperaturabhängig Luft, N2 oder Ar) eingehalten ist. Die Erwärmung erfolgt elektrisch, mittels Gas oder Hybridverfahren (elektrisch, Gas). Die Wärme wird in der Regel mittels Konvektion auf die Fasern übertragen. Es werden für die Karbonisierung LT-(bis ~1200 °C) und HT- (bis ~1800 °C) bzw. bei Erfordernis UHT-Öfen (bis ~3000 °C) in Reihe geschaltet. Nach der thermischen Behandlung erfolgt eine Nachbehandlung, deren letzter Prozessschritt das Schlichten/Finish Coating ist, um die Fasern bei der Weiterverarbeitung vor mechanischen Beschädigungen zu schützen. Dabei werden die einzelnen Filamente mit einer dünnen Schutzschicht umhüllt. Diese Prozessstufe wird kundenspezifisch durchgeführt. Deshalb unterscheiden sich die Oberflächeneigenschaften der Kohlenstofffasern von Charge zu Charge. Das betrifft insbesondere die Adhäsionseigenschaften, die Oberflächenrauhigkeit und den elektrischen Widerstand.
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Da Schwankungen in der Faserqualität sowohl die LT- als auch die HT-Öfen betreffen, ist es als günstig anzusehen, ein Modul zum Inline-Qualitätsmonitoring sowohl im oder nach dem LT- als auch im oder nach einem HT-Ofen einzusetzen. Ein Modul kann auch in eine Regelung für Temperatur-, Geschwindigkeit und/oder Gasatmosphäre integriert werden, wodurch sowohl eine hohe Produktqualität als auch ein stabiler Karbonisierungsprozess gesichert werden können.
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Die Erfindung soll eine Echtzeit-Qualitätskontrolle im Produktionsprozess der Kohlenstofffaserherstellung ermöglichen. Das trägt trotz der Zusatzkosten für ein Inline Qualitätsmonitoring-Modul zur Kosteneinsparung bei, da Kohlenstofffasern, die die Qualitätsanforderungen nicht erfüllen, sofort aus der Weiterverarbeitung entfernt werden können bzw. durch Regelung der Prozessparameter weitere außerhalb der mechanischen Kennwerte liegende Kohlenstofffasern vermieden werden können. Zudem entfallen Kosten für aufwändige Laborprüfungen.
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Die Qualitätskontrolle findet bisher off line nach der Kohlenstofffaserherstellung im Labor statt und ist sehr zeitaufwändig. Wenn festgestellt wird, dass die hergestellten Kohlenstofffasern nicht die geforderten Kennwerte aufweisen, sind bereits viele kg derartiger Fasern hergestellt worden. Diese können nicht zum geplanten Preis verkauft werden und reduzieren somit den Gewinn der Kohlenstofffaserhersteller. Das kann durch Echtzeitprüfungen mit einem In line Qualitätsmonotoring vermieden werden.
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Die Öfen sind üblicherweise beidseits mit digitalen, leicht ablesbaren Temperaturdisplays ausgerüstet, die vorzugsweise die Abweichung der Isttemperatur von der Solltemperatur im Zentrum jeder Heizzone anzeigen. Im gesamten Prozess werden enge Toleranzen für die Temperaturabweichungen des jeweiligen Gases im Ofen definiert, wobei die realen Variationskoeffizienten in der Produktion bei:
- • ~ 3 % für 1K bis 24K Rovings für alle Anwendungen incl. Flugzeugbau und
- • bis zu 15 % für dicke Stränge (Tows) für alle industriellen und kommerziellen Gütestufen liegen.
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Der Zielvariationskoeffizient liegt üblicherweise bei 1 %. Dieser kann nur durch eine Regelung erreicht bzw. eingehalten werden, deren Voraussetzung ein In line Qualitätsmonitoring mittels eines Moduls zur Kontrolle der elektrischen Eigenschaften ist.
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Es gibt bereits Inline-Systeme für das Qualitätsmonitoring bei der Kohlenstofffaserherstellung. Das System CFA-Lite wird von IZUMI international angeboten. Das System beinhaltet Sensoren zur Analyse u.a. von:
- • Towbreite,
- • Filamentbruchanzahl und
- • Faserspannung.
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Der aus https://www.izumiinternational.com/composite-products/tensionmonitoring. Zugriff am 27.10.2017 bekannte DTH Faserspannungssensor arbeitet mit hoher Genauigkeit, es ist keine Kalibrierung erforderlich. Die Software ist so aufgebaut, dass die Faserspannungs-Zeit-Graphen aufgezeichnet werden können. Außerdem sind anwendungsbezogen multiple Modelle vorhanden, um verschiedene Roving/Towbreiten und mechanische Faserzugspannungen einzustellen. Die Daten werden via USB oder SD-Karte oder on line via PC geliefert. Dieses bekannte System verfügt über folgende Parameter und Komponenten:
- • Breitensensor: optisches Micrometer,
- • maximale Rovingbreite: 25 mm,
- • maximale Geschwindigkeit: 10 m/min,
- • minimal detektierbarer Filamentdurchmesser: 7 µm, Echtzeitausgabe der Werte in mm,
- • Filamentbruchsensor (optional): optischer Fasersensor (Durchstrahlverfahren) und
- • Datenübertragung auf USB-Stick zur Datenansicht via PC nach Abschluss der Datensammlung.
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Die Detektierung von Filamentbrüchen/mechanischen Beschädigungen von Fäden mittels Fadenlaufinspektionsverfahren von vielen parallel neben einander liegenden Fasern kann auch mittels Licht erfolgen. Im Anspruch 9 von
EP 2 159 182 B1 ist direkt auf die Herstellung von Kohlenstofffasern Bezug genommen worden.
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Diese oben aufgeführten Sensoren gestatten es nicht, Abweichungen im Karbonisierungsgrad und damit in den Eigenschaften der Kohlenstofffasern festzustellen.
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Bei einer Patentrecherche wurde ein In-line Qualitätsmonitoring mittels Mikrowellenplasma in
US 6,375,875 B1 ermittelt. Hier wird mindestens die Änderung eines Eigenschaftskennwertes in einer Resonanz-Kavität gemessen. Es können dabei Zusammensetzung, Feuchtigkeitsgehalt und Qualität beurteilt werden, d.h. die ermittelten Kennwerte stehen in Zusammenhang mit dem Karbonisierungsgrad.
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Untersuchungen von Daewoong Pyo, Sangyong Eom, Young-Seak Lee and Seungkon Ryu: in Exothermic Characteristics of PAN-based Carbon fiber According to High Temperature Treatment. Korean Chem. Eng. Res., 49(2011)2, April, S.218-223 wie ausschließlich die Oberflächentemperatur eines Carbonfaserkabels mittels Pyrometer untersucht worden ist. Die Oberflächentemperatur steigt zwischen 1.000 ° C und 1.500 C linear mit der Kristallinität und der Kristallitgröße Lc, so dass über die Oberflächentemperatur die Kristallinität und die Kristallitgröße (und damit der Karboniserungsgrad) indirekt bestimmt werden können.
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Bei der Weiterverarbeitung zu CFK-Bauteilen erfolgen kontaktlose Inline-Qualitätskontrollen wie z.B. in T. ULLMANN, T. SCHMIDT, S. HOFMANN, R. JEMMALI: In-line Quality Assurance for the Manufacturing of Carbon Fiber Reinforced Aircraft Structures. 2nd International Symposium on NDT in Aerospace 2010. http://elib.dlr.de/67061/1/tula4.pdf beschrieben, u.a. auch elektrische (induktive) Inline-Qualitätskontrollen im fertigen CFK-Bauteil. Die dabei angewendeten Verfahren arbeiten berührungslos elektrisch und/oder optisch. Die elektrisch leitfähigen Kohlenstofffasern werden durch elektrische Wirbelströme, die durch das erzeugte elektromagnetische Wechselfeld mittels Induktionsspule in den Kohlenstofffasern generiert werden, durch den induzierten Stromfluss direkt erwärmt. Da der Strom in Faserrichtung fließt, können die textilen Strukturen sichtbar gemacht werden. Aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit der Fasern ist die Materialdicke oft geringer als die Penetrationstiefe. Das führt zu einer Volumenheizung. Nachteilig daran ist es, dass innere Delaminationen schwierig zu erkennen sind. Deshalb wird das induktive Verfahren mit einer optischen Thermographie kombiniert, bei der sich der Stromfluss im Defektgebiet sehr stark ändert [U. Netzelmann: Nondestructive inspection of CFRP using active thermography. Carbon Composites Magazin (2017)3 S. 56].
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Bestimmung der Qualität von Kohlenstofffasern während oder unmittelbar nach der Herstellung anzugeben, die einfach und kostengünstig mit ausreichender Sicherheit durchgeführt werden können. Es sollte auch eine Regelung des Herstellungsprozesses damit möglich sein.
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Folgende Anforderungen werden an die Bestimmung der Qualität bei der Herstellung von Kohlenstofffasern gestellt:
- • Integration in die kontinuierliche Anlage als zusätzliche Prozessstufen nach bzw. im LT- bzw. HT-Ofen,
- • Durchführung der Prozessmessungen in geeigneten Zeitintervallen,
- • Dokumentation der Messergebnisse in den Produktionsaufzeichnungen,
- • Absetzen eines Alarmsignals, wenn die Prozessparameter außerhalb der Toleranzgrenzen bestimmt worden sind und
- • vorzugsweise Integration einer Regelung der Ofenprozessparameter Temperatur, Gasfluss, Geschwindigkeit zur Einhaltung des Sollwertes des Karbonisierungsgrades
sollen möglich sein.
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Ziel ist es, Aussagen über die Qualität der Fasern zu gewinnen. Faserschädigungen (mechanisch, thermisch) sollen hinsichtlich der Fehlergröße und Fehlerlänge erkannt werden. Diese Faserschädigungen resultieren aus:
- • mechanischen Faserbeschädigungen, wie z.B. Filamentbrüchen aufgrund zu hoher Faserzugspannung und/oder
- • aus unvollständiger Karbonisierung (Temperaturdifferenzen über die Zeit während der Durchführung der thermischen Prozesse aufgrund von Netzausfällen, Stromschwankungen, nach Ofenwartung usw.).
- • Schwankungen der Prozessparameter Temperatur, Zeit und Gasfluss (Nicht alle Kombinationen von oberen und unteren Toleranzgrenzen dieser Prozessparameter führen zu den gewünschten Kohlenstofffasereigenschaften.)
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Dabei kann ein Modul gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 eingesetzt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Qualität, insbesondere des Karbonisierungsgrades von Kohlenstofffasern bei ihrer Herstellung, werden an mindestens eine Kohlenstofffaser entlang ihrer Längsachse in Vorschubbewegungsrichtung der Kohlenstofffaser zwei in einem Abstand zueinander angeordnete elektrische Kontakte oder Walzen mit der jeweiligen Kohlenstofffaser in elektrisch leitendem Kontakt gebracht.
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Dabei sind in Vorschubbewegungsrichtung ein elektrischer Kontakt oder eine Walze an einen Pol und ein in Vorschubbewegungsrichtung zweiter elektrischer Kontakt oder eine zweite Walze an den jeweils anderen Pol einer elektrischen Gleichspannungsquelle, die eine konstante elektrische Spannung anlegt, angeschlossen (Zwei-Leiter-Messung).
Oder es wird in Vorschubbewegungsrichtung der Kohlenstofffaser mit vier Kontakten oder Walzen gearbeitet (Vier-Leiter-Messung) (1). Dabei werden die in einem Abstand zueinander angeordneten elektrischen Kontakte oder Walzen mit der jeweiligen Kohlenstofffaser in elektrisch leitendem Kontakt gebracht und
dabei in Vorschubbewegungsrichtung ein erster elektrischer Kontakt oder eine Walze an einen Pol und ein in Vorschubbewegungsrichtung letzter elektrischer Kontakt oder eine letzte Walze an den jeweils anderen Pol einer elektrischen Gleichspannungsquelle, an der eine konstante elektrische Spannung anliegt, angeschlossen.
Mit den zwischen dem ersten und letzten elektrischen Kontakten oder Walzen angeordneten zwei weiteren elektrischen Kontakten oder Walzen werden die elektrische Spannung und der dort fließende elektrische Strom bestimmt. Daraus wird der jeweilige momentane elektrische Widerstand bestimmt und mit dem bestimmten elektrischen Widerstand wird auf die momentane Qualität geschlossen. Dies kann anhand gespeicherter elektrischer Widerstandswerte, die für vergleichbare Kohlenstofffasern bereits ermittelt worden sind und für die die jeweilige Qualität bereits, bevorzugt mit einem anderen genaueren Messverfahren bestimmt worden sind, erreicht werden.
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Mit den vier elektrischen Kontakten oder Walzen sollte bevorzugt eine elektrische Brückenschaltung gebildet sein.
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Die zwei oder vier elektrischen Kontakte oder Walzen sollten während der Bestimmung der Qualität in einem oder unmittelbar in Vorschubbewegungsrichtung der Kohlenstofffaser nach einem Ofen angeordnet werden.
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Die Bestimmung sollte bei konstant gehaltener Temperatur durchgeführt oder während der Bestimmung die jeweilige Temperatur gemessen und bei der Bestimmung berücksichtigt werden. Im letztgenannten Fall kann eine Kompensation von Temperaturdifferenzen an der jeweiligen Kohlenstofffaser und/oder der in einem jeweiligen Ofen eingehaltenen Temperatur durchgeführt werden.
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Erfindungsgemäß kann aber auch eine elektrische Spule in Bezug zu einer Kohlenstofffaser angeordnet werden, mit der die Abhängigkeiten zwischen der Induktionsspannung U sowie des Induktionsstroms I ermittelt werden.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative werden zwei elektrische Kontakte dazu genutzt, die Kohlenstofffasern über deren elektrischen Widerstand auf eine a) Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur der Schlichte oder eine b) Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur einer Schlichte, die auf der Oberfläche der jeweiligen Kohlenstofffaser ausgebildet ist, zu erwärmen, um über die Verschiebungen der Temperatur Fehlstellen an der jeweiligen Kohlenstofffaser zu detektieren. Dabei sollten die elektrischen Kontakte an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen sein.
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Mit einem momentan bestimmten elektrischen Widerstand, mit den mit der elektrische Spule ermittelten Abhängigkeiten zwischen der Induktionsspannung U sowie des Induktionsstroms I und/oder mit ermittelten Verschiebungen von Fehlstellen an der jeweiligen Kohlenstofffaser, die in Abhängigkeit einer Temperatur a) oder b) in Bezug zur Zersetzung einer Schlichte aufgetreten sind, kann eine Regelung des jeweiligen Erwärmungsprozesses, bei dem die Bestimmung durchgeführt wird, durchgeführt werden. Bei der Regelung kann/können die Temperatur im jeweiligen Ofen, die Vorschubgeschwindigkeit der jeweiligen Kohlenstofffaser, die Zugspannung, die an der jeweiligen Kohlenstofffaser wirkt und/oder die atmosphärischen Bedingungen, insbesondere der Volumenstrom oder die Zusammensetzung an zugeführtem Gas im jeweiligen Ofen angepasst werden. Bei der Zusammensetzung kann beispielsweise ein Anteil eines zugeführten Gases in einem Gasgemisch angepasst werden.
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Vorteilhaft sollte der jeweils bestimmte elektrische Widerstand für die gesamte Länge der jeweiligen Kohlenstofffaser erfasst und protokolliert werden. Dadurch kann einem Kunden ein entsprechender ggf. auch schriftlicher Qualitätsnachweis geliefert werden.
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Zu dem Modul sollte auch eine elektronische Einrichtung gehören, die zur Regelung des jeweiligen Ofens, der Durchführung einer Temperaturkompensation und/oder zur Protokollierung der erfassten elektrischen Widerstände für die gesamte Länge der jeweiligen Kohlenstofffaser ausgebildet ist.
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Das Modul kann zum Inline-Qualitätsmonitoring in Echtzeit während der Herstellung von Kohlenstofffasern im kontinuierlichen Prozess mit Walzenkontaktierung oder anderweitiger geeigneter Kontaktierung an der jeweiligen Kohlenstofffaser dienen. Es sollte im Prozess im oder in Vorschubbewegungsrichtung der Kohlenstofffasern unmittelbar hinter einem LT- bzw. HT-Ofen angeordnet sein. Es arbeitet zerstörungsfrei elektrisch auf der Basis von elektrischem Gleichstrom.
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In einer ersten Konfiguration kann die Bestimmung des elektrischen Widerstandes von Kohlenstofffaserrovings (1 bis 24k) bei Raumtemperatur (ohne Berücksichtigung des Roving- und/oder Filamentquerschnittes) durchgeführt werden.
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Die Messung findet dabei in einem bevorzugt transportfähigen Modul außerhalb des LT- bzw. HT-Ofens statt. Die Kohlenstofffasern werden nach Durchlaufen eines LT-/HT-Ofens (alternativ der Abwickeleinheit) mit definierter und konstanter Zugspannung über vier Graphitwalzen oder elektrische Kontakte geführt (1), die jeweils mit dem Plus- oder Minuspol einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden sind. Zwischen den beiden äußeren Kontakten oder Walzen fließt ein konstanter elektrischer Gleichstrom, ein elektrischer Spannungsabfall wird dabei über die beiden inneren Kontakte oder Walzen gemessen. Aus dem Quotienten von elektrischer Spannung und elektrischer Stromstärke wird der elektrische Widerstand errechnet und mit einer Software kann der elektrische Widerstands-Zeit-Verlauf aufgezeichnet und protokolliert werden (2 und 4). Ein Protokoll kann auch für die Länge einer jeweiligen Kohlenstofffaser erstellt werden. Anschließend wird der Kohlenstofffaserroving zur nächsten Prozessstufe (HT-Ofen oder Nachbehandlungstufe) mittels des Motors der Aufwickeleinheit transportiert.
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Bei einer zweiten Konfiguration kann die Messung des elektrischen Widerstandes von Kohlenstofffaserrovings bei Ofentemperatur (1 bis 24k) (ohne Berücksichtigung des Roving- und/oder Filamentquerschnittes) erfolgen. Die elektrischen Messungen werden dabei direkt im LT- bzw. HT-Ofen durchgeführt. Deshalb sollten besondere Anforderungen an das Messverfahren gestellt werden. Entsprechend der Arrhenius-Gleichung sinkt der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur.
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Die Ofentemperatur bzw. Rovingtemperatur sollte einmal bei ca. ≤ 1300 °C (high tenacity Fasern) und einmal bei ≥ 2000 °C liegen.
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Bei einer dritten Konfiguration sollte die Messung des elektrischen Widerstandes von Kohlenstofffaserrovings (bis 320k) bei Raumtemperatur (ohne Berücksichtigung des Roving- und/oder Filamentquerschnittes) durchgeführt werden.
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Bei einer vierten Konfiguration sollte die Messung des elektrischen Widerstandes von Kohlenstofffaserrovings (bis 320k) bei Ofentemperatur (ohne Berücksichtigung des Roving- und/oder Filamentquerschnittes) durchgeführt werden. Die Ofentemperatur bzw. Rovingtemperatur sollten einmal bei <=1300 °C und einmal bei >= 2000 °C liegen.
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Es können der elektrische Widerstand und auch die Karbonisierungstemperatur/Faseroberflächentemperatur in Zusammenhang mit dem Karbonisierungsgrad bestimmt werden. Eine Faseroberflächentemperaturmessung kann mittels eines z.B. in y-Richtung changierenden Pyrometers durchgeführt werden. Diese Messung kann alternativ zur Temperaturüberwachung oder zusätzlich auch mit einem Fadenbruchsensor kombiniert durchgeführt werden.
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Für die Bestimmung des elektrischen Widerstands gilt die Arrhenius-Gleichung. Dementsprechend reduziert sich der elektrische Widerstand bei höheren Temperaturen.
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Um mechanische Faserbeschädigungen zweifelsfrei von Karbonisierungsfehlern zu trennen, sollte der Inline-Qualitätsmonitoring Modul mit einem bekannten Modul zur Bestimmung der Filamentbruchanzahl, der zum Stand der Technik gehören kann, kombiniert werden. Alternativ wird daran gearbeitet, mechanische und thermische Schädigungen auch mit dem elektrischen Messverfahren zweifelsfrei voneinander zu trennen.
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Da Schwankungen in der Faserqualität sowohl die LT- als auch die HT-Öfen betreffen kann, ist es als günstig anzusehen, ein Modul zum Inline-Qualitätsmonitoring sowohl im oder nach dem LT- als auch im oder nach einem HT-Ofen einzusetzen. Ein Modul kann auch in eine Regelung für Temperatur, Geschwindigkeit und/oder Gasatmosphäre integriert werden, wodurch sowohl eine hohe Produktqualität als auch ein stabiler Karbonisierungsprozess gesichert werden können.
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Die Erfindung ermöglicht eine Echtzeit-Qualitätskontrolle im Produktionsprozess der Kohlenstofffaserherstellung. Das trägt trotz der Zusatzkosten für ein Inline Qualitätsmonitoring-Modul zur Kosteneinsparung bei, da Kohlenstofffasern, die die Qualitätsanforderungen nicht erfüllen, sofort aus der Weiterverarbeitung entfernt werden können bzw. durch Regelung der Prozessparameter weitere außerhalb der mechanischen Kennwerte liegende Kohlenstofffasern vermieden werden können. Zudem entfallen Kosten für aufwändige Laborprüfungen.
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Mit der Erfindung können folgende Vorteile erreicht werden:
- - Verbesserung der Produktqualität und Vertrauenszugewinn bei den Weiterverarbeitern (evtl. geringer Preisaufschlag für die Kohlenstofffasern erforderlich)
- - bessere Qualität der Zwischen- und Endprodukte in der Compositeherstellung - Reduktion des Ausschusses und damit Kosteneinsparung bei den Compositeherstellern
- - evtl. Verlängerung der Lebensdauer der Composite durch geringere Variationskoeffizienten der mechanischen Fasereigenschaften
- - evtl. Einsparung von Kohlenstofffasern durch einen geringeren Sicherheitsfaktor bei der Bauteilkonstruktion aufgrund besserer Faserqualität (geringere Variationskoeffizienten bei den mechanischen Eigenschaften)
- - einfache Integration in die bestehende Prozesskette der Kohlenstofffaserherstellung als In-line Qualitätsmonitoring
- - Einsatz in konventionellen Carbonfaseranlagen als auch in Carbonfaseranlagen, die nach neuen Prinzipien arbeiten (Mikrowellenplasma, Widerstandsheizung)
- - Übertragbarkeit auf andere Produkte zur Qualitätskontrolle, z.B. elektrisch leitfähige karbonisierte Flächen oder Fasern/Flächen, die mit elektrisch leitfähigen Materialien beschichtet sind
- - einfache Datenauswertung
- - Rückwirkung auf den Prozess durch Regelung der Prozessparameter Temperatur, Geschwindigkeit und Gasfluss möglich
- - Inline Qualitätsmonitoring von Kohlenstofffasern und textilen Kohlenstofffaserflächen nach den einzelnen Ofenpassagen der thermischen Behandlung (LT- und HT-Ofen, evtl. UHT-Ofen)
- - letzter Inline Modul während der Kohlenstofffaserherstellung oder erster Modul einer zur Verarbeitung der Kohlenstofffasern geeigneten Textil- oder Wickelmaschine
- - Inline Qualitätsmonitoring von anderen Fasern/Flächen (Textilien, Folien), die mit elektrisch leitfähigen Materialien beschichtet sind
- - Inline Qualitätsmonitoring von weiteren elektrisch leitfähigen Fasern/Flächen (Textilien, Folien)
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Beispiel eines Moduls zur Bestimmung des elektrischen Widerstands;
- 2 ein Diagramm des elektrischen Widerstands, der bei unterschiedlichen Umdrehungsrichtungen von Walzen mittels Vierpunktmessung über die Zeit ermittelt wurde;
- 3 ein Faserstück mit einem thermischen Defekt und
- 4 ein Diagramm des mittels Zweileitermessung gemessenen elektrischen Widerstands über die Zeit für eine Referenz- und eine geschädigte Faser.
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1 zeigt eine erste Konfiguration zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes von Kohlenstofffaserrovings (1 bis 24k) bei Raumtemperatur (ohne Berücksichtigung des Roving- und/oder Filamentquerschnittes) als transportfähiges Modul außerhalb des LT- bzw. HT-Ofens. Die Kohlenstofffaser 2 wird nach dem Abwickeln von der Abwickeleinheit 4 mit definierter und konstanter Zugspannung über vier Graphitwalzen 1 geführt, die über elektrische Kontakte jeweils mit dem Plus- bzw. Minuspol eines Vier-Leiter-Messgerätes 3 verbunden sind. Die Graphitwalzen 1 mit den Kontakten sind in Vorschubrichtung der Faser 2 zwischen der Abwickeleinheit 4 und der Aufwickeleinheit 5 für die Fasern 2 angeordnet. Die vier elektrischen Kontakte für die 4-Punktmessung sind in einer Brückenschaltung verschaltet. Der erste und der letzte elektrische Kontakt in Faservorschubrichtung werden mit den zugehörigen Kontakten des Vier-Leiter-Messgerätes verbunden, wodurch diese mit einem Messstrom versorgt werden. Mit den zwischen dem ersten und letzten elektrischen Kontakten angeordneten zwei weiteren elektrischen Kontakten wird der Potenialabfall bestimmt. Daraus wird der jeweilige momentane elektrische Widerstand ermittelt und eine elektrische Widerstands-Zeit-Kurve aufgezeichnet. Mit Hilfe dieser Kurve kann auf die momentane Qualität der Fasern 2 (Karbonisierungsgrad) geschlossen werden. Dies kann anhand gespeicherter elektrischer Widerstandswerte, die für vergleichbare Kohlenstofffasern 2 bereits ermittelt worden sind und für die die jeweilige Qualität bereits, bevorzugt mit einem anderen genaueren Messverfahren bestimmt worden sind, erreicht werden. Alternativ kann der Roving über diese Kontakte bestromt werden, wodurch sich dieser erwärmt. In Abhängigkeit des Schadensbilds schwankt die gemessene Temperatur, wodurch auf einen fehlerhaften Bereich geschlossen werden kann. Die Kohlenstofffasern werden durch das Anlegen einer elektrischen Spannung von 6 V und einer elektrischen Stromstärke von 0,4 A auf 125 °C erwärmt.
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2 zeigt das Widerstands-Zeit-Diagramm einer handelsüblichen Kohlenstofffaser, die bei Raumtemperatur (ohne Berücksichtigung des Roving- und/oder Filamentquerschnittes) in einem transportfähigen Modul außerhalb des LT- bzw. HT-Ofens gemessen wurde. Die Kohlenstofffaser wird durch die Messeinrichtung sowohl vorwärts als auch rückwärts mit einer Geschwindigkeit von 4 cm/min bewegt. Da dies bei konstanter Temperatur erfolgt, sind die beiden Messkurven bei Vorwärts- und Rückwärstbewegung weitgehend deckungsgleich.
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3 zeigt eine Kohlenstofffaser mit thermischem Defekt. Die Temperaturdifferenz zwischen dem schwarzen und dem weißen Teil der Faser beträgt etwa 300 K. Dies wurde dadurch erreicht, dass eine Kohlenstofffaser auf einer Faserlänge von ca. 5 cm Länge nachcarbonisiert wurde. Es erfolgte in einer statischen Anlage zur elektrischen Faserkarbonisierung, die einen Elektrodenabstand von 5 cm aufweist, durch Anlegen einer maximalen elektrischen Gleichspannung von 50 V und einer elektrischen Stromstärke von 8,4 A, was zu einer Erwärmung der Kohlenstofffaser auf 1700 °C führte.
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4 zeigt, wie sich der elektrische Widerstand bei der Kohlenstofffaser mit thermischem Defekt (3) im Vergleich zu einer Referenzkohlenstofffaser auf den über 3-fachen Wert über die Schädigungslänge von 5 cm erhöht. Die Messung erfolgt ebenfalls mit einer Geschwindigkeit von 4 cm/min. Es wird eine 2-Leiter-Messung eingesetzt, d.h., es werden nur die beiden inneren elektrischen Anschlusskontakte (1) mit der Spannungsquelle verbunden.
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Aus dem gemessenen elektrischen Potentialabfall wird das Widerstands-Zeit-Diagramm erstellt, das deutlich die elektrische Widerstandserhöhung über die Defektlänge zeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2159182 B1 [0012]
- US 6375875 B1 [0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Daewoong Pyo, Sangyong Eom, Young-Seak Lee and Seungkon Ryu: in Exothermic Characteristics of PAN-based Carbon fiber According to High Temperature Treatment. Korean Chem. Eng. Res., 49(2011)2, April, S.218-223 [0015]
- T. ULLMANN, T. SCHMIDT, S. HOFMANN, R. JEMMALI: In-line Quality Assurance for the Manufacturing of Carbon Fiber Reinforced Aircraft Structures. 2nd International Symposium on NDT in Aerospace 2010. http://elib.dlr.de/67061/1/tula4.pdf [0016]
