DE102021123869A1

DE102021123869A1 - Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils und Vorrichtung zur Überwachung hierzu

Info

Publication number: DE102021123869A1
Application number: DE102021123869.2A
Authority: DE
Inventors: Nico Liebers
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial, wobei das Fasermaterial auf ein Werkzeug abgelegt, mit einer Vakuumabdeckung abgedeckt, evakuiert und das Matrixmaterial ausgehärtet wird, wobei während des Herstellungsprozesses mittels einer Überwachungsvorrichtung Schallsignale in dem Fasermaterial erzeugt und aus dem Fasermaterial empfangen werden und der Herstellungsprozess in Abhängigkeit von den empfangenen Schallsignalen überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallwandler und eine mit dem Schallwandler verbundene erste induktive Spulenanordnung in der Kavität angeordnet wird, und eine zweite induktive Spulenanordnung außerhalb der Kavität so angeordnet wird, dass die Spulenanordnungen in induktiver Wirkverbindung stehen, wobei zum Überwachen des Herstellungsprozesses der Schallwandler ein Schallsignal in dem Fasermaterial erzeugt, indem der Schallwandler mittels eines von der zweiten induktiven Spulenanordnung induktiv an die erste induktive Spulenanordnung übertragenen Anregungssignals angeregt wird, und/oder der Schallwandler ein Schallsignal aus dem Fasermaterial empfängt und ein Sensorsignal generiert, welches von der ersten induktiven Spulenanordnung induktiv an die zweite induktive Spulenanordnung übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei während des Herstellungsprozesses mittels einer Überwachungsvorrichtung Schallsignale in dem Fasermaterial erzeugt und aus dem Fasermaterial empfangen werden und der Herstellungsprozess in Abhängigkeit von den empfangenen Schallsignalen überwacht wird.
Die Erfindung betrifft ebenso eine Überwachungsvorrichtung hierzu, mit der abhängig von aus dem Fasermaterial empfangenen Schallsignalen der Herstellungsprozess überwacht werden kann.
Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit sind Faserverbundwerkstoffe, aus denen Faserverbundbauteile hergestellt werden können, als moderne Werkstoffe kaum mehr wegzudenken. Faserverbundwerkstoffe weisen dabei zwei Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial. Durch Aushärten des Matrixmaterials wird dabei das Fasermaterial in die vorgegebene Richtung gezwungen, wodurch Fasermaterial und Matrixmaterial eine integrale Einheit bilden.
Anders als bei den meisten isotropen Werkstoffen stellt der Herstellungsprozess von Faserverbundbauteilen aufgrund der anisotropen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe eine besondere Herausforderung dar. Dies ist nicht zuletzt ein Grund dafür, dass die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen trotz ihrer besonders vorteilhaften Eigenschaften für den Leichtbau mit höheren Kosten im Herstellungsprozess verbunden ist.
Dabei wird das Fasermaterial (trocken oder vorimprägniert) in ein Formwerkzeug eingebracht und in einer vakuumdichten Kavität eingeschlossen. Durch Evakuieren der Kavität und somit des Fasermaterials wird ein Vakuum erzeugt. Bei der Verwendung von trockenem Fasermaterial erfolgt in der Regel anschließend ein Infusionsprozess, um das trockene Fasermaterial mit Matrixmaterial zu infundieren. Dabei wird das Matrixmaterial von außen in die Kavität infundiert, um so das Fasermaterial vollständig mit dem Matrixmaterial zu tränken. Bei der Verwendung von vorimprägniertem Fasermaterial (prepregs) kann der Schritt des Infundierens unterbleiben. Durch Temperaturbeaufschlagung und/oder Druckbeaufschlagung kann dann das das Fasermaterial einbettende Matrixmaterial ausgehärtet werden.
Bei den Formwerkzeugen werden offene (open-mould Verfahren) und geschlossene (closed-mould Verfahren) Formwerkzeugkonzepte unterschieden. Während bei einem geschlossenen Formwerkzeug die für das Fasermaterial vorgesehene Kavität vollständig durch das Formwerkzeug gebildet wird, indem mindestens zwei Formwerkzeughälften zusammengeführt und geschlossen werden, wird bei den offenen Formwerkzeugen eine Seite durch eine flexible Vakuumabdeckung gebildet. Bei den geschlossenen Formwerkzeugen wird dabei die Kompression des Fasermaterials zur Einstellung des Faservolumengehaltes durch das Schließen des Formwerkzeuges gebildet, während bei den offenen Formwerkzeugen die benötigte Kompression durch das Evakuieren der Kavität erzeugt wird. Damit dient das Erstellen des Vakuums in der Kavität bei den offenen Formwerkzeugen nicht nur dem Zweck, das bei trockenen Fasermaterialien notwendige Matrixmaterial prozesssicher zu infundieren, sondern auch dazu, den Umgebungsdruck für die notwendige Kompression des Fasermaterials zur Einstellung des Faservolumengehalts zu nutzen. Nicht selten werden hierfür auch Druckstücke zwischen Fasermaterial und Vakuumabdeckung genutzt, um durch das eingestellte Vakuum einen gleichmäßigen Andruck auf das Fasermaterial sicherzustellen und die Kontur der formabgewandten Bauteilseite zu definieren. So können mit Hilfe der Druckstücke glattere Oberflächen seitens der Membran erzeugt oder Radien besser abgeformt werden.
Zwar sind offene Formwerkzeugkonzepte deutlich kostengünstiger, was sich insbesondere bei der Herstellung großskaliger Strukturbauteile (beispielsweise Flügelschalen) niederschlägt. Allerdings stellen die Abdichtung der Vakuumabdeckung sowie gegebenenfalls die Integration von Sensoren in die Kavität zur Überwachung des Herstellungsprozesses Herausforderungen dar, um prozesssicher derartige Bauteile herstellen zu können.
Mithilfe von Ultraschallsignalen können im laufenden Prozess der Fortschritt der Imprägnierung des Fasermaterials, die Bauteildicke und der Aushärtezustand ermittelt und verfolgt werden. Neben dem Durchschallungsverfahren, bei dem an der einen Seite der Kavität ein Schallgeber und an der anderen gegenüberliegenden Seite ein Schallsensor angeordnet wird, ist auch das Impuls-Echo-Verfahren bekannt, bei dem Schallgeber und Schallsensor ein und dieselbe Einheit bilden. Oftmals wird jedoch das Durchschallungsverfahren angewandt, da zur Ermittlung der Schalllaufzeit das Impuls-Echo-Verfahren durch Störsignale bei den gängigen Fertigungsbedingungen (hoher Reflexionsgrad zwischen Werkzeug und Bauteil) nicht geeignet ist.
Aus der DE 10 2010 037 849 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen bekannt, bei dem ein Fasergelege in einer Formkavität mit flüssigem Harz infiltriert wird. Während des Infiltrierens wird dabei die Laufzeit eines Ultraschallsignals durch die Formkavität gemessen und mit Sollwerten verglichen. Durch diesen Vergleich kann dann die Herstellung des Bauteils überwacht werden.
Aus der DE 10 2012 103 753 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Herstellungsprozesses zur Herstellung eines Formbauteils aus Faserverbundwerkstoff bekannt, bei dem der Schallsensor und/oder der Schallgeber ein piezoelektrisches Element ist, welches direkt an dem Formwerkzeug ohne Zwischenschaltung einer Vorlaufstrecke angeordnet wird. Hierdurch können Reflektionen an den Übergängen vermieden werden.
Aus der DE 10 2016 112 263 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Herstellungsprozesses zur Herstellung eines Formbauteils aus Faserverbundwerkstoff bekannt, bei dem ein geschlossenes Formwerkzeug genutzt wird, an dessen beiden Formwerkzeughälften jeweils ein Ultraschallsensor angeordnet ist. Durch Vergleich der Sensorsignalverläufe der Sensoren der ersten Formwerkzeughälfte und Sensoren der zweiten Formwerkzeughälfte kann die Querschnittsgeometrie der Fließfront des infundierten Matrixmaterials ermittelt werden.
Aus der EP 3 266 597 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Herstellungsprozesses zur Herstellung eines Formbauteils aus Faserverbundwerkstoff bekannt, bei dem anhand eines Sensorsignalverlaufes eines Ultraschallsensors sowie gegebenenfalls unter Kenntnis des Sensorquerschnitts die Fließfrontgeschwindigkeit und/oder die Fließfrontrichtung berechnet werden kann.
Aus der GB 2533833 A ist ein drahtloser Ultraschallsensor bekannt, der zwei Induktionsspulen aufweist, die unterschiedliche Außenradien (und Durchmesser) haben und parallel geschaltet sind.
Die Verwendung von Sensoren innerhalb der Kavität bei offenen Formwerkzeugkonzepten stellt hinsichtlich der Verkabelung der Sensoren eine besondere Herausforderung dar, da diese aus der Kavität herausgeführt werden müssen und an diesen Stellen die Vakuumabdeckung dennoch die Kavität luftdicht verschließen muss. Leckagen an diesen Stellen können zu einer unzureichenden bzw. fehlerhaften Infusion des Matrixmaterials führen und schließlich zum Ausschuss des Bauteils. Insbesondere bei der Verwendung einer Vielzahl derartiger Sensoren kann die Abdichtung der Sensorkabel ein signifikantes Problem innerhalb des Prozesses darstellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils anzugeben, bei dem der Herstellungsprozess mittels Ultraschallsignalen prozesssicher überwacht werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Vorrichtung gemäß Anspruch 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial beansprucht, wobei das Verfahren gattungsgemäß das Ablegen von Fasermaterial auf eine formgebende Werkzeugoberfläche eines offenen Formwerkzeuges, das Abdecken des Fasermaterials mittels einer Vakuumabdeckung derart, dass das Fasermaterial in einer zwischen der Werkzeugoberfläche und der Vakuumabdeckung gebildeten Kavität eingeschlossen wird, das Evakuieren des in der Kavität befindlichen Fasermaterials und das Aushärten des in das Fasermaterial eingebetteten Matrixmaterials zur Herstellung des Faserverbundbauteils umfasst. Während dieses gattungsgemäßen Herstellungsprozesses werden mittels einer Überwachungsvorrichtung Schallsignale in das Fasermaterial eingebracht bzw. in dem Fasermaterial erzeugt und aus dem Fasermaterial empfangen, wobei der Herstellungsprozess in Abhängigkeit von den empfangenen Schallsignalen überwacht wird. Die Überwachung des Herstellungsprozesses erfolgt dabei, wie aus dem Stand der Technik bekannt, anhand der Signallaufzeit des Schallsignals, wodurch insbesondere der Fortschritt der Imprägnierung der Fasern mit Harz, die Bauteildicke sowie der Aushärtezustand überwacht und verfolgt werden kann. Schallsignale sind dabei insbesondere im Sinne der vorliegenden Erfindung Ultraschallsignale, die in der Regel ab einer Frequenz von 15 kHz bis beispielsweise 10 GHz liegen.
Unter dem Aushärten des Matrixmaterials im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei das Verfestigen des Matrixmaterials verstanden. Dies umfasst insbesondere den Übergang des Matrixmaterials vom Verarbeitungszustand in den Endzustand des Bauteils. Bei dem Fasermaterial kann es sich um trockenes Fasermaterial oder um vorimprägniertes Fasermaterial (Prepregs) handelt. Wird trockenes Fasermaterial verwendet, so wird nach dem Evakuieren der Kavität das Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein Schallwandler der Überwachungsvorrichtung und eine mit dem Schallwandler verbundene erste induktive Spulenanordnung innerhalb der Kavität angeordnet werden, wobei der Schallwandler ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal Schallwellen bzw. Schallsignale in das Fasermaterial einzubringen bzw. in dem Fasermaterial zu erzeugen. Bei dem Schallwandler kann es sich dabei beispielsweise um ein piezoelektrisches Element handeln, welches in Abhängigkeit einer elektrischen Ansteuerung eine Formveränderung ausübt, die zur Erzeugung von Schallwellen in dem Fasermaterial genutzt werden kann. Der Schallwandler wird dabei so in die Kavität eingebracht, dass der Schallwandler mit dem Fasermaterial zur Erzeugung von Schallsignalen in dem Fasermaterial in entsprechender Wirkverbindung steht.
Außerdem wird eine zweite induktive Spulenanordnung außerhalb der Kavität so angeordnet, dass die erste induktive Spulenanordnung und die zweite induktive Spulenanordnung in entsprechender induktiver Wirkverbindung stehen. Unter einer induktiven Wirkverbindung wird dabei verstanden, dass elektrische Energie bzw. elektrische Signale induktiv von der ersten Spulenanordnung an eine zweite Spulenanordnung und andersherum übertragen werden können. Gemäß dem Prinzip der Induktion lassen sich somit elektrische Signale und elektrische Energie zwischen der ersten Spulenanordnung und der zweiten Spulenanordnung übertragen.
Erfindungsgemäß kann der Schallwandler in der Kavität sowohl als Schallgeber als auch als Schallsensor arbeiten. Zum Überwachen des Herstellungsprozesses wird demnach durch den Schallwandler ein Schallsignal in dem Fasermaterial erzeugt, indem der Schallwandler mittels eines von der zweiten induktiven Spulenanordnung induktiv an die erste induktive Spulenanordnung übertragenen Anregungssignals angeregt wird. Alternativ oder zusätzlich kann zum Überwachen des Herstellungsprozesses der Schallwandler aber auch ein Schallsignal aus dem Fasermaterial empfangen und ein Sensorsignal generieren, welches von der ersten induktiven Spulenanordnung induktiv an die zweite induktive Spulenanordnung übertragen wird.
Durch das induktive Übertragen des generierten Anregungssignals an den Schallwandler innerhalb der Kavität und/oder durch das induktive Übertragen des erfassten Sensorsignals von dem Schallwandler aus der Kavität heraus kann somit ein Schallüberwachungsverfahren, insbesondere ein Ultraschall-Überwachungsverfahren, bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils im offenen Formwerkzeugkonzept realisiert werden, ohne dass Sensorkabel aus der Kavität heraus durch die Vakuumabdeckung herausgeführt werden müssen. Es müssen somit keine Signalkabel mehr aufwendig durch die Siegelung mit großem Arbeitsaufwand durchgeführt werden, um derartige gattungsgemäße Schallüberwachungsverfahren durchführen zu können. Insbesondere bei der Herstellung großskaliger Strukturbauteile verringert sich der Arbeitsaufwand erheblich.
Es hat sich dabei gezeigt, dass trotz der evakuierten Kavität, in der sich der Schallwandler mit der ersten induktiven Spulenanordnung befindet, sowie der prozessbedingten Randbedingungen wie hohen Temperaturen und zusätzlichem erhöhten Umgebungsdruck, wie sie beispielsweise in einem Autoklav vorherrschen, dennoch mithilfe des induktiven Verfahrens prozesssicher Ansteuerungssignale und/oder Sensorsignale zwischen der ersten induktiven Spulenanordnung und der zweiten induktiven Spulenanordnung ausgetauscht werden können, wodurch der gattungsgemäße Herstellungsprozess prozesssicher mit einem Schallüberwachungsverfahren überwacht werden kann.
Demnach ist es besonders vorteilhaft, wenn zum Aushärten des in das Fasermaterial eingebetteten Matrixmaterials der erstellte Vakuumaufbau mit Formwerkzeug und Vakuumabdeckung sowie Fasermaterial in der Kavität in einen Autoklav eingefahren wird und mit Temperatur und gegebenenfalls Druck beaufschlagt wird. Dabei sind die Prozesstemperaturen abhängig von dem verwendeten Matrixmaterial und können von 180°C bis zu 400°C und mehr betragen.
Es hat sich des Weiteren gezeigt, dass die Verwendung einer induktiven Übertragungsstrecke zur Übertragung eines Anregungssignals oder eines Sensorsignals auch dann prozesssicher funktioniert, wenn die Schallwandleranordnung mit Schallwandler und verbundener erster induktiver Spulenanordnung unter einer Vakuumabdeckung angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass dies auch dann funktioniert, wenn insbesondere zwei Vakuumfolien verwendet werden, um die Kavität für das Fasermaterial bereitzustellen.
Je nach verwendetem Fasermaterial kann nach dem Evakuieren des Fasermaterials das Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert werden. Dieser Prozessschritt kann gegebenenfalls entfallen, wenn das Fasermaterial ein Prepreg ist.
Das Anregungssignal kann dabei von einer Steuereinrichtung der Überwachungsvorrichtung in Form eines elektrischen Signals generiert werden, wobei die Steuereinrichtung das generierte Anregungssignal an die zweite induktive Spulenanordnung überträgt. Die zweite induktive Spulenanordnung, die außerhalb der Kavität in induktiver Wirkverbindung mit der ersten induktiven Spulenanordnung steht, überträgt dieses Anregungssignal nunmehr an die erste induktive Spulenanordnung innerhalb der Kavität, von wo es an den mit der ersten induktiven Spulenanordnung verbundenen Schallwandler übertragen wird. Basierend auf dem Anregungssignal wird nun der Schallwandler derart angelegt, dass er ein oder mehrere Schallsignale in dem Fasermaterial erzeugt.
Zum Sensieren von Schallwellen ist vorgesehen, dass der Schallwandler die in dem Fasermaterial übertragenen Schallwellen bzw. Schallsignale empfängt und ein entsprechendes elektrisches Signal in Form eines Sensorsignals generiert, was an die erste induktive Spulenanordnung übertragen wird. Die erste induktive Spulenanordnung innerhalb der Kavität, die in induktiver Wirkverbindung mit der zweiten induktiven Spulenanordnung außerhalb der Kavität steht, überträgt dieses Sensorsignal an die zweite induktive Spulenanordnung, wobei die zweite induktive Spulenanordnung dieses so empfangene Sensorsignal an eine Auswerteeinrichtung der Überwachungsvorrichtung überträgt. Das durch die Auswerteeinrichtung empfangene Sensorsignal wird dabei hinsichtlich der Überwachung des Herstellungsprozesses analysiert, insbesondere hinsichtlich der Signallaufzeit.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in der Kavität ein druckfestes Formteil auf dem Fasermaterial auf einer dem Formwerkzeug gegenüberliegenden Bauteilseite angeordnet wird, wobei die erste induktive Spulenanordnung zwischen dem druckfesten Formteil (auch Druckstück genannt) und der Vakuumabdeckung, direkt auf dem druckfesten Formteil oder in dem druckfesten Formteil angeordnet wird. Dabei ist vorteilhaft, wenn nicht nur die erste induktive Spulenanordnung an dem druckfesten Formteil angeordnet wird, sondern auch der mit der ersten induktiven Spulenanordnung verbundene Schallwandler. Der Schallwandler überträgt dabei die erzeugten Schallwellen auf das druckfeste Formteil, das wiederum den Körperschall auf das mit dem Formteil in Wirkverbindung stehende Fasermaterial überträgt.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Schallwandler und die mit dem Schallwandler verbundene erste induktive Spulenanordnung gemeinsam in einem dielektrischen Material eingebettete sind, sodass eine Schallwandleranordnung aus diesen Elementen gebildet wird. Diese Schallwandleranordnung kann nun auf die Oberseite des druckfesten Formteils aufgelegt werden und überträgt so die durch den Schallwandler erzeugten Schallwellen an das Formteil und dann wiederum an das Fasermaterial.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite induktive Spulenanordnung mittels einer Magnetvorrichtung gegenüber der in der Kavität angeordneten ersten induktiven Spulenanordnung so ausgerichtet wird, dass die Spulenanordnungen in induktiver Wirkverbindung stehen. Die Magnetvorrichtung ist dabei so ausgebildet, dass die erste induktive Spulenanordnung und die zweite induktive Spulenanordnung basierend auf dem durch die Magnetvorrichtung erzeugten Magnetfeld ausgerichtet werden können, sodass induktiv das Anregungssignal und/oder das Sensorsignal zwischen den Spulenanordnungen prozesssicher ausgetauscht werden können. Dabei weist insbesondere die Anordnung aus Schallwandler und erster induktiver Spulenanordnung einen Magneten auf, der mit einem an der zweiten induktiven Spulenanordnung vorgesehenen Magneten so zusammenwirkt, dass aufgrund der magnetischen Anziehungskraft dieser beiden Magneten eine entsprechende prozesssichere induktive Ausrichtung realisiert werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die zweite induktive Spulenanordnung problemlos gegenüber der bereits in der Kavität befindlichen ersten induktiven Spulenanordnung entsprechend ausgerichtet werden kann, da in der Regel die erste induktive Spulenanordnung unter der Vakuumabdeckung und der evakuierten Kavität nur schlecht zu identifizieren ist.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch gelöst mit der Überwachungsvorrichtung zur Überwachung eines Herstellungsprozesses zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei die Überwachungsvorrichtung eine Schallwandleranordnung mit mindestens einem Schallwandler und einer mit dem Schallwandler verbundenen ersten induktiven Spulenanordnung, und eine Übertragungsanordnung mit mindestens einer zweiten induktiven Spulenanordnung aufweist, wobei die Spulenanordnungen in induktive Wirkverbindung bringbar sind, sodass elektrische Signale ausgetauscht werden können. Die Überwachungsvorrichtung umfasst ferner eine mit der mindestens einen zweiten induktiven Spulenanordnung verbundene Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, ein Anregungssignal zur Schallüberwachung des Herstellungsprozesses zu generieren und an die zweite induktive Spulenanordnung zu übertragen, wobei die zweite induktive Spulenanordnung zum Übertragen des Anregungssignals an die erste induktive Spulenanordnung eingerichtet ist, wenn die Spulenanordnungen in induktiver Wirkverbindung stehen, und wobei die erste induktive Spulenanordnung zum Empfangen des Anregungssignals und zum Anregen des Schallwandlers mittels des empfangenen Anregungssignals ausgebildet ist, wobei der Schallwandler zum Erzeugen von Schallsignalen in Abhängigkeit von dem Anregungssignal eingerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Überwachungsvorrichtung eine mit der mindestens einen zweiten induktiven Spulenanordnung verbundene Auswerteeinrichtung, die eingerichtet ist, ein Sensorsignal zur Schallüberwachung des Herstellungsprozesses von der zweiten induktiven Spulenanordnung zu empfangen, wobei die zweite induktive Spulenanordnung zum Empfang des Sensorsignals von der ersten induktiven Spulenanordnung eingerichtet ist, wenn die Spulenanordnungen in induktiver Wirkverbindung stehen, und wobei die erste induktive Spulenanordnung zum Empfangen des Sensorsignals von dem Schallwandler und zum Übertragen des Sensorsignals an die zweite induktive Spulenanordnung ausgebildet ist, wobei der Schallwandler zum Generieren des Sensorsignals in Abhängigkeit von Schallsignalen eingerichtet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schallwandler ein piezoelektrisches Element ist, welches elektrische Signale in Schallsignale und Schallsignale in elektrische Signale umwandeln kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schallwandleranordnung den mindestens einen Schallwandler und die damit verbundene erste induktive Spulenanordnung in einem elektrisch isolierenden Dielektrikum einbettet und/oder dass die Übertragungsanordnung die mindestens eine zweite induktive Spulenanordnung in einem elektrisch isolierenden Dielektrikum einbettet.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schallwandleranordnung einen ersten Magneten und die Übertragungsanordnung einen zweiten Magneten aufweist, die derart angeordnet sind, dass aufgrund der magnetischen Anziehungskraft die Spulenanordnungen für eine induktive Wirkverbindung ausrichtbar sind.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:

1 Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens;
2 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

1 zeigt schematisch in einer stark vereinfachten Darstellung einen Vakuumaufbau 10, bei dem ein Fasermaterial 11 auf eine formgebende Werkzeugoberfläche eines Formwerkzeuges 12 abgelegt wurde. Auf das Fasermaterial 11 an der dem Formwerkzeug gegenüberliegenden Bauteilseite wird ein druckfestes Formteil 13 aufgelegt, um auch die Kontur der dem Formwerkzeug abgewandten Bauteilseite definieren zu können.
Im Ausführungsbeispiel der 1 wird auf das Druckstück 13 eine Schallwandleranordnung 14 aufgelegt, wobei anschließend der so gebildete Aufbau mit zwei Vakuumfolien 15 jeweils mittels eines Siegelkits 16 gegenüber dem Formwerkzeug 12 vakuumdicht abgedichtet wird. Die so gebildete Kavität 17, in der das Fasermaterial 11, das Druckstück 13 sowie die Schallwandleranordnung 14 angeordnet sind, kann nun mittels einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) evakuiert werden.
Außerhalb der Kavität gegenüber der Schallwandleranordnung 14 wird eine Übertragungsanordnung 18 angeordnet, die mit einer mikroprozessorgesteuerten Recheneinheit 19 verbunden ist. Je nach zu verwendenden Schallverfahren kann die Recheneinheit 19 eine Steuereinrichtung 20 und/oder eine Auswerteeinheit 21 umfassen.
Die Schallwandleranordnung 14, die in der Kavität 17 angeordnet ist, weist als Schallwandler 22 ein piezoelektrisches Element auf, das mit einer ersten induktiven Spulenanordnung 23 verbunden ist. Sowohl der Schallwandler 22 als auch die erste induktive Spulenanordnung 23 der Schallwandleranordnung 14 sind dabei in eine elektrische Masse eingebettet und sind somit elektrisch isolierend gegenüber ihrer Umgebung.
Die Übertragungsanordnung 18 weist demgegenüber eine zweite induktive Spulenanordnung 24 auf, die induktiv mit der ersten induktiven Spulenanordnung 23 in Wirkverbindung bringbar ist, wenn die Übertragungsanordnung 18 entsprechend gegenüber der Schallwandleranordnung 14 ausgerichtet ist.
Hierfür weist die Schallwandleranordnung 14 einen ersten Magneten 25 auf, während die Übertragunganordnung 18 einen zweiten Magneten 26 hat. Beide Magnete 25, 26 sind dabei so vorgesehen, dass sie aufgrund ihres Magnetfeldes zueinander ausgerichtet werden können. Mit anderen Worten, die durch die Anziehungskraft der beiden zusammenwirkenden Magneten 25, 26 gebildete Ausrichtung lässt die beiden Spulenanordnungen in induktive Wirkverbindung bringen.
Um ein Schallsignal in dem Fasermaterial 11 zu erzeugen, wird von der Steuereinrichtung 20 ein entsprechendes Ansteuerungssignal generiert, das beispielsweise ein Impulssignal bzw. ein Impulszug sein kann. Dieses Ansteuerungssignal wird an die zweite induktive Spulenanordnung 24 der Übertragungsanordnung 18 übertragen, von wo es induktiv an die erste Spulenanordnung 23 der Schallwandleranordnung 14 innerhalb der Kavität 17 übertragen wird. Von dort wird das übertragene Ansteuerungssignal an den mit der ersten induktiven Spulenanordnung 23 verbundenen Schallwandler 22 übertragen, der das Ansteuerungssignal in ein Schallsignal bzw. in eine Schallwelle umwandelt.
In korrespondierender Art ist dabei auch der Empfang von Schallwellen möglich. Der Schallwandler 22 empfängt Schallwellen aus dem Fasermaterial 11, die sich bis in das Druckstück 13 ausgebreitet haben. Der Schallwandler 22 wandelt die empfangene Schallwelle in elektrische Signale um und leitet diese an die erste induktive Spulenanordnung 23 weiter. Von dort wird induktiv das Sensorsignal an die zweite induktive Spulenanordnung 24 der Übertragungsanordnung 18 übermittelt, die dann das empfangene Sensorsignal im Form von elektrischen Signalen an die Auswerteeinheit 21 der Recheneinheit 19 überträgt. Dort kann das Sensorsignal entsprechend zur Überwachung des Herstellungsprozesses untersucht werden.
Für ein optimales Durchschallungsverfahren befindet sich am Formwerkzeug 12 ein zweiter Schallwandler 22a, der entweder als Schallgeber oder Schallsensor fungiert und mit der Recheneinheit 19 entsprechend verbunden ist. So kann der Schallwandler 22a als Schallgeber ein Schallsignal aussenden, welches dann von dem Schallwandler 22 der Schallwandleranordnung 14 entsprechend empfangen wird. Selbstverständlich ist es ebenfalls denkbar, dass der Schallwandler 22a am Formwerkzeug 12 ein Schallsensor ist, der das von dem Schallwandler 22 der Schallwandleranordnung 14 erzeugte Schallsignal entsprechend empfängt.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Faserverbundbauteil mithilfe von Verstärkungselement den (sogenannten Stringern) verstärkt werden soll. Hierfür wird auf das Formwerkzeug 12 zunächst ein Fasermaterial 30 abgelegt, welches dann durchaus der Ebene des Fasermaterials 30 abstehende Verstärkungselementes 31 gestützt werden soll. Für die Herstellung eines solchen Bauteils, wie in 2 dargestellt, werden zur Stützung der Verstärkungselemente 31 Kernwerkzeuge 32 benötigt, um die aufrechtstehenden Verstärkungselemente 31 zu stützen. Die Kernwerkzeuges 32 werden dabei unter die Vakuumfolie 15 angeordnet.
An den Kernwerkzeugen 32 ist unter der Vakuumfolie 15 eine aus der 1 bekannte Schallwandleranordnung 14 angeordnet, die mit einer Übertragungsanordnung 18 so in Wirkverbindung steht, dass Schallwellen (gestrichelter Pfeil) durch das erste Kernwerkzeug, durch die Verstärkungselement 31 und dann durch das daneben angeordnete zweite Kernwerkzeug übertragbar sind, wo sie dann von einem Schallsensor 22a (ein zweiter Schallwandler) empfangen werden können.
Bezugszeichenliste

10: Vakuumaufbau
11: Fasermaterial
12: Formwerkzeug
13: druckfestes Formteil/Druckstück
14: Schallwandleranordnung
15: Vakuumfolie
16: Siegelkit
17: Kavität
18: Übertragungsanordnung
19: Recheneinheit
20: Steuereinrichtung
21: Auswerteeinrichtung
22: Schallwandler
23: erste induktive Spulenanordnung
24: zweite induktive Spulenanordnung
25: erster Magnet
26: zweiter Magnet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010037849 A1 [0009]
DE 102012103753 A1 [0010]
DE 102016112263 A1 [0011]
EP 3266597 A1 [0012]
GB 2533833 A [0013]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial (11) und ein das Fasermaterial (11) einbettendes Matrixmaterial, mit den Schritten: - Ablegen von Fasermaterial (11) auf eine formgebende Werkzeugoberfläche eines offenen Formwerkzeuges (12); - Abdecken des Fasermaterials (11) mittels einer Vakuumabdeckung derart, dass das Fasermaterial (11) in einer zwischen der Werkzeugoberfläche und der Vakuumabdeckung gebildeten Kavität (17) eingeschlossen wird; - Evakuieren des in der Kavität (17) befindlichen Fasermaterials (11); und - Aushärten des in das Fasermaterial (11) eingebetteten Matrixmaterials zur Herstellung des Faserverbundbauteils; - wobei während des Herstellungsprozesses mittels einer Überwachungsvorrichtung Schallsignale in dem Fasermaterial (11) erzeugt und aus dem Fasermaterial (11) empfangen werden und der Herstellungsprozess in Abhängigkeit von den empfangenen Schallsignalen überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Schallwandler (22) und eine mit dem Schallwandler (22) verbundene erste induktive Spulenanordnung (23) in der Kavität (17) angeordnet wird, und - eine zweite induktive Spulenanordnung (24) außerhalb der Kavität (17) so angeordnet wird, dass die Spulenanordnungen (23, 24) in induktiver Wirkverbindung stehen, wobei zum Überwachen des Herstellungsprozesses - der Schallwandler (22) ein Schallsignal in dem Fasermaterial (11) erzeugt, indem der Schallwandler (22) mittels eines von der zweiten induktiven Spulenanordnung (24) induktiv an die erste induktive Spulenanordnung (23) übertragenen Anregungssignals angeregt wird, und/oder - der Schallwandler (22) ein Schallsignal aus dem Fasermaterial (11) empfängt und ein Sensorsignal generiert, welches von der ersten induktiven Spulenanordnung (23) induktiv an die zweite induktive Spulenanordnung (24) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Evakuieren des Fasermaterials (11) ein Matrixmaterial in das Fasermaterial (11) infundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (22) ein piezoelektrisches Element ist, welches elektrische Signale in Schallsignale und Schallsignale in elektrische Signale umwandeln kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Steuereinrichtung (20) der Überwachungsvorrichtung ein Anregungssignal an die mit der Steuereinrichtung (20) verbundene zweite induktive Spulenanordnung (24) übertragen wird und/oder dass von der zweiten induktiven Spulenanordnung (24) das von der ersten induktiven Spulenanordnung (23) übertragene Sensorsignal an eine mit der zweiten induktiven Spulenanordnung (24) verbundene Auswerteeinrichtung (21) der Überwachungsvorrichtung übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kavität (17) ein druckfestes Formteil (13) auf dem Fasermaterial (11) auf einer dem Formwerkzeug (12) gegenüberliegenden Bauteilseite angeordnet wird, wobei die erste induktive Spulenanordnung (23) zwischen dem druckfesten Formteil (13) und der Vakuumabdeckung, direkt auf dem druckfesten Formteil (13) oder in dem druckfesten Formteil (13) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite induktive Spulenanordnung (24) mittels einer Magnetvorrichtung gegenüber der in der Kavität (17) angeordneten ersten induktiven Spulenanordnung (23) so ausgerichtet wird, dass die Spulenanordnungen (23, 24) in induktiver Wirkverbindung stehen.
Überwachungsvorrichtung zur Überwachung eines Herstellungsprozesses zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial (11) und ein das Fasermaterial (11) einbettendes Matrixmaterial, wobei die Überwachungsvorrichtung aufweist: - eine Schallwandleranordnung (14) mit mindestens einem Schallwandler (22) und einer mit dem Schallwandler (22) verbundenen ersten induktiven Spulenanordnung (23), und - eine Übertragungsanordnung (18) mit mindestens einer zweiten induktiven Spulenanordnung (24), - wobei die Spulenanordnungen (23, 24) in induktive Wirkverbindung bringbar sind, sodass elektrische Signale ausgetauscht werden können, wobei die Überwachungsvorrichtung ferner umfasst: - eine mit der mindestens einen zweiten induktiven Spulenanordnung (24) verbundene Steuereinrichtung (20), die eingerichtet ist, ein Anregungssignal zur Schallüberwachung des Herstellungsprozesses zu generieren und an die zweite induktive Spulenanordnung (24) zu übertragen, wobei die zweite induktive Spulenanordnung (24) zum Übertragen des Anregungssignals an die erste induktive Spulenanordnung (23) eingerichtet ist, wenn die Spulenanordnungen (23, 24) in induktiver Wirkverbindung stehen, und wobei die erste induktive Spulenanordnung (23) zum Empfangen des Anregungssignals und zum Anregen des Schallwandlers (22) mittels des empfangenen Anregungssignals ausgebildet ist, wobei der Schallwandler (22) zum Erzeugen von Schallsignalen in Abhängigkeit von dem Anregungssignal eingerichtet ist, und/oder - eine mit der mindestens einen zweiten induktiven Spulenanordnung (24) verbundene Auswerteeinrichtung (21), die eingerichtet ist, ein Sensorsignal zur Schallüberwachung des Herstellungsprozesses von der zweiten induktiven Spulenanordnung (24) zu empfangen, wobei die zweite induktive Spulenanordnung (24) zum Empfang des Sensorsignals von der ersten induktiven Spulenanordnung (23) eingerichtet ist, wenn die Spulenanordnungen (23, 24) in induktiver Wirkverbindung stehen, und wobei die erste induktive Spulenanordnung (23) zum Empfangen des Sensorsignals von dem Schallwandler (22) und zum Übertragen des Sensorsignals an die zweite induktive Spulenanordnung (24) ausgebildet ist, wobei der Schallwandler (22) zum Generieren des Sensorsignals in Abhängigkeit von Schallsignalen eingerichtet ist.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (22) ein piezoelektrisches Element ist, welches elektrische Signale in Schallsignale und Schallsignale in elektrische Signale umwandeln kann.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandleranordnung (14) den mindestens einen Schallwandler (22) und die damit verbundene erste induktive Spulenanordnung (23) in einem elektrisch isolierenden Dielektrikum einbettet und/oder dass die Übertragungsanordnung (18) die mindestens eine zweite induktive Spulenanordnung (24) in einem elektrisch isolierenden Dielektrikum einbettet.
Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandleranordnung (14) einen ersten Magneten (25) und die Übertragungsanordnung (18) einen zweiten Magneten (26) aufweist, die derart angeordnet sind, dass aufgrund der magnetischen Anziehungskraft die Spulenanordnungen (23, 24) für eine induktive Wirkverbindung ausrichtbar sind.