DE102022002274A1

DE102022002274A1 - Verfahren und Sensoren zur Überwachung der Härtung von Füllstoff-Edukten in Faser-Verbund-Werkstoffen

Info

Publication number: DE102022002274A1
Application number: DE102022002274.5A
Authority: DE
Inventors: auf Antrag nicht genannt. Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: ZIRK, KAI, DR., DE
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2023-12-28

Abstract

Für eine genaue Kenntnis der in-situ-Eigenschaften eines Faser-Verbund-Werkstoffes (FVW) bereits während dessen exothermer Härtung mangelt es an Verfahren und Sensoren die kontinuierlich, in-situ, integral (großflächig), bei höheren Temperaturen, kontaktlos, passiv (ohne Hilfsenergie) und zugleich mehrere relevante physikalische Größen messen, ohne dass die entstehenden Füllstoff- und Faser-Strukturen störend beeinflusst werden.Elektrisch-isolierte Messwert-Aufnehmer-Folien, die RLC-Schwing-Kreise enthalten, werden zwischen die Fasern des Faser-Verbund-Werkstoffes platziert. Sie verbleiben nach Aushärtung des Füllstoffes im FVW-Bauteil, dessen Stabilität sie praktisch nicht negativ beeinträchtigen.Ändert sich die Aushärtung, kommt es zu Änderungen der Resonanz-Kreis-Frequenz und der Dämpfung von außen induktiv angeregter harmonischer elektrischer Schwingungen der RLC-Schwing-Kreise. Die Resonanz-Kreis-Frequenz und die Dämpfung können aus den induktiv übertragenen Spannungs-Verläufen der gedämpften harmonischen elektrischen Schwingung direkt ermittelt werden, aus diesen die relative Permittivität als Maß des Vernetzungs-Grades und der ohmsche Widerstand als Maß für die Temperatur des Füllstoffes.Überwachung der Härtung von Füllstoff-Edukten bei der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Härtung von Füllstoff-Edukten in Faser-Verbund-Werkstoffen durch Ermittlung spezifischer Kenngrößen, insbesondere der Temperatur und der relativen elektrischen Permeabilität des Füllstoff-Eduktes, mit einem oder mehreren flächigen Messwert-Aufnehmern, die im elektrisch-isolierten Inneren elektrische RLC-Schwing-Kreise enthalten, die vor der Härtung zwischen die Fasern des Faser-Verbund-Werkstoffes eingebracht und wie die Fasern im Füllstoff-Edukt eingebettet werden. Induktiv gekoppelt werden die RLC-Schwing-Kreise von außen zu freien gedämpften harmonischen elektrischen Schwingungen angeregt, deren Verläufe das Messwert-Aufnehmer-Signal sind, welches ebenfalls drahtlos induktiv gekoppelt von einem äußeren Lesegerät erfasst wird und inhärent die Kennwerte Resonanz-Kreis-Frequenz und Dämpfung der harmonischen Schwingung enthält. Aus diesen Kenngrößen werden indirekt die Temperatur und die relative Permittivität des härtenden Füllstoff-Eduktes ermittelt.
Mit Hilfe der so während der exothermen Vernetzungs-Reaktion ermittelten in-situ-Eigenschaften innerhalb des Faser-Verbund-Werkstoffes ist sowohl eine Optimierung des Herstell-Prozesses als auch eine bessere Reproduzierbarkeit der Bauteil-Eigenschaften möglich.
Hintergrund der Erfindung
Faserverbund-Werkstoffe (FVW) sind Verbund-Werkstoffe / Misch-Werkstoffe und bestehen aus verstärkenden Fasern, die in einer ,Matrix eingebettet sind.
Faserverbund-Werkstoffe mit sehr dünnen Fasern sind im Vergleich zu Metallen ein relativ neuer Werkstoff, werden aber trotzdem schon seit einigen Jahrzehnten als vielseitiger Leichtbau-Werkstoff eingesetzt. Neue Verkehrs-Flugzeuge von Airbus und Boeing bestehen z. B. bereits zu über 50 % aus Faser-Verbund-Werkstoffen (FVW-Anteil > 50 %). Neben der Luftfahrt finden Faser-Verbund-Werkstoffe inzwischen auch im Automobil- und im Fahrrad-Bau immer mehr Verwendung. Allerdings werden sie zz. aufgrund der noch hohen Werkstoff-Kosten eher im Luxus-Segment und dann gezielt für einzelne Komponenten verwendet. Ein weiterer großer Anwendungs-Bereich ist die Windkraft-Industrie, bei der für Rotoren seit Langem Glasfaser-Verbunde eingesetzt werden. Wegen der immer größeren Leistungen und damit benötigten Rotorblatt-Längen wird dort inzwischen verstärkt auf sehr stabile Carbon-Fasern gesetzt.
Faserverbunde sind im Gegensatz zu Metallen kein homogener, sondern ein anisotroper, d. h. richtungsabhängiger Werkstoff, was durch den Aufbau als Verbund aus Füllstoff und darin eingebetteten Fasern begründet ist. Dadurch sind sie auch immer eine Kombination der Eigenschaften beider Ausgangswerkstoffe. Im Verbund dienen die Fasern der Lastaufnahme, während das Harz die Fasern fixiert und stützt und vor Umgebungs-Einflüssen schützt.
In dieser Schrift bedeutet:

Faser-Verbund-Werkstoffe (FVW) sind Verbund-Werkstoffe / Misch-Werkstoffe aus verstärkenden dünnen Fasern, die in einer „Matrix‟ (Füllstoff / Klebstoff) eingebettet sind. Bei den überaus wichtigen Faser-Kunststoff-Verbunden sind die Füllstoffe Kunststoffe, und zwar duroplastische Kunststoffe (Duroplaste / Duromere), Elastomere oder Thermoplaste, bei den Nicht-Kunststoff-Faser-Verbunden sind die Füllstoffe z. B. Beton, Metalle, Keramiken oder Kohlenstoff.
Harz / sonstige Füllstoff-Edukte für Verbund-Werkstoffe Harze sind weiche Feststoffe oder hochviskose Flüssigkeiten, die Kunststoff-Prepolymere mit reaktiven funktionellen Gruppen enthalten. Es gibt (in der Natur vorkommende) natürliche Harze und (technisch hergestellte) Kunst-Harze. Sie sind Edukte für die Herstellung duroplastischer Kunststoffe. Sonstige Füllstoff-Edukte für Faser-Verbund-Werkstoffe sind Ausgangsstoffe für die Herstellung der genannten sonstigen Füllstoffe für Faser-Verbund-Werkstoffe.
Härtung eines Harzes ist die chemische Umsetzung eines Harzes zu Polymeren, also einem duroplastischen Kunststoff. Zur Härtung werden zwei Komponenten (das „Harz‟ und ein „Härter‟, der einen Starter (eine Initiatorsubstanz) der Polymerreaktion enthält) zu einer reaktionsfähigen Harzmasse vermischt, oder eine fertige Mischung durch z. B. das Erreichen einer Initial-Temperatur gestartet und reagieren lassen. Während der Härtung des Harzes (z. B. eine Poly-Addition) steigt die Viskosität an und nach abgeschlossener Härtung liegt ein unschmelzbarer duroplastischer Kunststoff vor.
Härtung sonstiger Füllstoff-Edukte für Faser-Verbund-Werkstoffe ist die Herstellung sonstiger Verbund-Werkstoff-Füllstoffe aus ihren Edukten - z. B. das Erhärten des Zement-Leimes durch Hydratation zu Zement-Stein beim „Abbinden‟ (Aushärten) eines Betons.
Messwert-Aufnehmer / Sensor Messwert-Aufnehmer sind flächige (Folien-artige) elektrische RLC-Schwing-Kreise, elektrischisoliert verpackt in Folien / Membranen. Zusammen mit einem funktional notwendigen Lesegerät (bestehend aus Anregungs- und Auslese-Spule) sind sie Sensoren.

Die korrekte Herstellung und Aushärtung des Füllstoffes im Faser-Verbund-Werkstoff ist ein komplexer Vorgang, der von vielen verschiedenen Faktoren abhängt. Beispielhaft sind die Art der Ausgangs-Komponenten, deren Mischungs-Verhältnis, Voraushärtung, Viskosität und das Temperatur-Profil bei der Aushärtung zu nennen.
Damit z. B. Epoxid-Harze aushärten können, wird ein Härter beigemischt. Bei einem Ein-Komponenten-System ist die Vermischung von Harz und Härter bereits vom Hersteller erfolgt und die Aushärtungs-Reaktion beginnt beim Erreichen einer Harz-spezifischen Temperatur. Zur Erreichung der jeweiligen Eigenschaften und für eine schnelle, effiziente Aushärtung gibt es vom Hersteller vorgegebene Temperatur-Zyklen, wobei die Temperaturen idealerweise im gesamten Harz (gerade auch im Innern des herzustellenden Bauteils) erreicht werden.
Bei einem Zwei-Komponenten-System müssen die Komponenten (bei einem Epoxid-Harz: Harz und Härter) vom Hersteller des Faser-Verbund-Stoffes in einem streng stöchiometrischen Verhältnis gemischt werden. Hierbei löst der zugegebene Härter z. B. durch freie Radikale eine Reaktion aus und ermöglicht die Vernetzung der Harz-Moleküle. Die dabei gestartete Härtungs-Reaktion (bei Epoxid-Harzen eine Polymerisations-Reaktion: eine Poly-Addition), verläuft exotherm. Weil Harze eine niedrige Wärme-Leitfähigkeit besitzen, kann es bei größeren Harzmengen zu einem Hitzestau kommen.
Trotz zahlreicher Verbesserungen der Fertigungs-Prozesse sind diese oft immer noch sehr aufwändig, kostenintensiv und technisch nur unzureichend umgesetzt. Eine genaue Kenntnis der in-situ-Eigenschaften während der exothermen Vernetzungs-Reaktion würde ungeahnte Möglichkeiten eröffnen, wie beispielsweise eine Reduzierung von Herstellungs-Zeiten (und somit Energie-Einsparungen) sowie eine Verbesserung z. B. der strukturellen Spannungen im Füllstoff und der Reproduzierbarkeit der Bauteil-Eigenschaften.
Aber gerade wegen den teilweisen hohen Temperaturen im FVW-Bauteil während der Reaktion können viele Sensoren und insbesondere elektronische Schaltungen nur bedingt eingesetzt werden. Die Einsatz-Temperaturen Silizium-basierter Schaltungen und insbesondere auch von Energie-Speichern, wie z. B. Akkumulatoren etc., werden dabei schnell überschritten.
Stand der Technik
Zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten gibt es eine ganze Reihe von Methoden, Techniken und Sensoren. Sie haben allerdings alle deutliche Nachteile.
Eine Methode ist die Überwachung der erzeugten Wärme als Maß für den erreichten Härtungs-Zustand, beispielsweise gemäß DE 28 29 450 A1 . Dies geschieht durch Messen der Temperatur, bspw. mit einem Thermo-Element. Thermo-Sensoren werden v. a. in kritischen Bereichen und Prozessen, z. B. bei der Herstellung sehr dicker FVW-Laminate mit hoher Exothermie, auf der Bauteil-Oberfläche appliziert.
Sie ermöglichen allerdings immer nur Oberflächen-Messungen. Denn Sensoren, die im aushärtenden Füllstoff-Edukt platziert werden, werden dort entweder irreversibel eingebaut und verbleiben, oder hinterlassen beim Entfernen Oberflächen-Defekte, z. B. Löcher oder Kanäle. Die Struktur des entstehenden Füllstoffes wird also geändert und geschwächt.
Außerdem sind Messungen mit einem Thermo-Sensor immer nur punktuell, also räumlich sehr begrenzt. Für „flächige‟ (integrale) Überwachungen werden deshalb mehrere oder gar viele Sensoren benötigt.
Ein etabliertes Verfahren zur Prozess-Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten ist die Verwendung von Ultraschall-Sensoren, die nach äußerlichem Beschallen der Bauteile reflektierte Wellen bezüglich der Schallwellen-Geschwindigkeit analysieren. Die Ausbreitung von Schallwellen unterliegt denselben Gesetzmäßigkeiten, wie sie für die Erfassung dynamisch-mechanischer Kennwerte von Stoffen charakteristisch sind. Die Schall-Geschwindigkeit steigt während der Aushärtung eines Füllstoffes erheblich an und liefert somit Informationen zum Fortschreiten der Aushärtung.
Die Ultraschall-Sensoren ermöglichen jedoch oft keinen problemlosen Einbau in gängige Herstell-Formen (Werkzeuge) und müssen zudem in der Wand der Herstell-Form (aufwändig) angeordnet werden, wobei sie regelmäßig Aussparungen (Abdrücke etc.) im produzierten Teil erzeugen, die häufig nicht geduldet werden können.
Außerdem ist die Schallgeschwindigkeit Temperatur-abhängig sowie die Ultraschall-Sensoren Temperatur-empfindlich, so dass der Einsatz bei höheren Temperaturen zumindest problematisch, oft aber sogar unmöglich ist.
EP 2 241 879 A1 beschreibt die Messung der Permittivität für elektro-magnetische Mikrowellen sowie von dieser abhängigen physikalischen Größe als Maß für die Viskositäts-Änderungen beim Aushärten von Wärme-härtendem Kunststoff.
Entsprechende kommerziell erhältliche Geräte konnten nicht ermittelt werden. Sender und Sensoren sind aber vermutlich ebenfalls (wie bei Ultraschall-Sensoren) relativ groß und ermöglichen deshalb keinen Problem-losen Einbau in gängige Herstell-Formen
Weil sich während der Aushärtung von Füllstoffen auch deren elektrische Leitfähigkeiten (und damit die ohmschen Widerstände) massiv ändern, werden seit einigen Jahren Sensoren eingesetzt, die den ohmschen Widerstand (Sensoren des ohmschen Widerstands) des aushärtenden Füllstoff-Eduktes messen. Dies ermöglicht die Zuordnung der aktuellen Aushärtung zu charakteristischen Aushärtungs-Phasen.
Aber auch diese Sensoren werden aus den zuvor genannten Gründen oberflächlich platziert und erlauben deshalb nur oberflächliche Messungen. Außerdem wird der ohmsche Widerstand eines aushärtenden Füllstoff-Eduktes sehr schnell extrem groß, so dass eventuell mehrere Sensoren mit unterschiedlichen Messbereichen gleichzeitig verwendet werden müssen. Dies macht Messungen des ohmschen Widerstandes zur Überwachung der Aushärtung von Kunstharzen aufwändig.
Relativ neu ist der Einsatz von dielektrischen Sensoren zur Erfassung der Viskosität des Füllstoff-Eduktes, mit denen sowohl das korrekte Mischungs-Verhältnis, als auch der Aushärtungs-Zustand überwacht werden können, beispielsweise gemäß DE 196 01 947 C1 oder gemäß DE 40 19 869 A1 . Da ein falsch gemischtes Füllstoff-Edukt-System (Füllstoff-Edukt und Härter) für gewöhnlich unvollständig aushärtet, ist die Kenntnis seiner dielektrischen Eigenschaften möglichst schon beim Start des Härtens als Qualitäts-Indikator der Herstellung geeignet und von großer Bedeutung.
Dielektrische Sensor-Messköpfe können - insbesondere in der Form von Sensor-Folien und im Gegensatz zu Ultraschall-Sensoren - relativ eben in die Herstell-Form integriert werden, ohne wesentliche Lücken (Dellen, Vertiefungen, etc.) im produzierten Form-Teil zu erzeugen. Aber sie sind dann auch nur oberflächlich platziert und können gerade bei dickeren Bauteilen nicht den besonders interessierenden Kern des Bauteils messtechnisch erfassen.
EP 1 886 120 B1 beschreibt eine optische Vermessung der Durchsichtigkeit (Licht-Durchlässigkeit) eines medizinischen Kunstsoff-basierten Knochen-Zementes als Maß für seine Viskosität und deren Änderung im Verlauf seiner Härtung.
Schließlich beschreibt DE 10 2011 013 645 A1 einen Epoxidharz-Ansatz, der zusätzlich zum Epoxid-Harz und einem Härter/Beschleuniger noch einen Farbstoff enthält, der mit dem Aushärten des Epoxidharz-Systems (im beschriebenen Beispiel abhängig von der Viskosität) seine Farbe ändert und so den Fortschritt oder das Ende der Aushärtung visuell anzeigen kann. Eine Farbänderung kann allerdings immer nur an einer Oberfläche beobachtet werden, jegliche Messungen in der Tiefe eines aushärtenden Füllstoff-Formteiles sind nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung
Es ist technisch außerordentlich wünschenswert, ein Verfahren und Sensoren zu haben, die eine Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten für Faser-Verbund-Werkstoffe kontinuierlich, in-situ, integral (großflächig), bei höheren Temperaturen, berührungslos (kontaktlos), passiv (ohne Hilfsenergie) und mit gleichzeitiger simultaner Messung mehrerer relevanter physikalischer Größen ermöglichen, wobei die entstehenden Füllstoff- und Faser-Strukturen nicht störend beeinflusst werden. Dadurch ist eine genaue Kenntnis der in-situ-Eigenschaften innerhalb des Faser-Verbund-Werkstoffes während der exothermen Vernetzungs-Reaktion möglich.
Lösung der Aufgabe / Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Merkmale vorteilhafter Ausgestaltungen Erfindungs-gemäßer Sensoren ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im Prinzip werden flächige Messwert-Aufnehmer (Messwert-Aufnehmer-Folien), die im elektrisch-isolierten Inneren elektrische RLC-Schwing-Kreise enthalten, vor der Härtung zwischen die Fasern des Faser-Verbund-Werkstoffes (die häufig als Filze, Matten, Gelege oder als Textilien (Gewebe), etc. eingebracht werden) platziert und wie die Fasern im Füllstoff-Edukt eingebettet. Nach der Aushärtung des Füllstoffes verbleiben die Messwert-Aufnehmer-Folien im FVW-Bauteil, dessen Stabilität sie praktisch nicht negativ beeinträchtigen.
Die Erfindung wird nicht auf spezielle Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoffe begrenzt, sondern umfasst ausdrücklich sämtliche Faser-Verbund-Werkstoffe
Erläuternde Prinzip-Darstellungen und beispielhafte Ausführungen der Erfindung zeigen die 1 bis 5. Dabei zeigen:

1A: Prinzip-Darstellung (Seitenansicht) einer möglichen technischen Umsetzung eines Erfindungs-gemäßen (Folien-artigen) Messwert-Aufnehmers sowie
1B: Vergrößerte Prinzip-Darstellung (Aufsicht) einer möglichen technischen Umsetzung eines Erfindungs-gemäßen (Folien-artigen) Messwert-Aufnehmers. Damit der RLC-Schwing-Kreis induktiv angeregt werden kann, ist als Induktivität z. B. eine Spirale notwendig, die LeiterBahn in der Messwert-Aufnehmer-Folie muss infolge dessen in dem dargestellten Beispiel 2-lagig sein.
1C: Schaltbild eines RLC-Resonanz-Kreises (RLC-Schwing-Kreises).

L

Induktivität (Spule)

C

Kapazität (Kondensator)

R

Ohmscher Widerstand (des elektrischen Leiters)
2: Prinzipieller zeitlicher Spannungsverlauf einer harmonisch gedämpften elektrischen Schwingung eines RLC-Resonanz-Kreises gemäß 1. Dargestellt ist der zeitliche Verlauf für die Resonanz-Kreis-Frequenz ω_r (vergleiche 3).

A0,max

(initiale) maximale Amplitude von Spannung oder Stromstärke, bei der Resonanz-Kreis-Frequenz ω_r, die von R, L und C abhängig ist (ω_r = f(R, L, C))

d

Dämpfung / Dämpfungs-Exponent, gezeigt ist die Einhüllende der exponentiell gedämpften Amplituden, die von R und L abhängig ist (d = f(R, L))

T

Periodendauer einer Schwingung
3: Prinzipielle Abhängigkeit der (Anfangs-)Amplitude A₀ der harmonischen Schwingung eines angeregten RLC-Resonanz-Kreises gemäß 2 in Abhängigkeit von der Erreger-Kreis-Frequenz ω. Das Maximum liegt bei der Resonanz-Kreis-Frequenz ω_r, die von R, L und C abhängig ist (ω_r = f(R, L, C)).
4: Prinzip-Darstellung einer gesamten Anordnung zur Erfindungs-gemäßen Überwachung der Härtung von Füllstoffen in Faser-Verbund-Werkstoffen. Es bedeuten:

1

zu überwachender Faser-verstärkter Füllstoff

2

Hitze-beständiger Folien-artiger Messwert-Aufnehmer (oberflächlich auf oder integral in 1)

3

Lesegerät, mit

4

Spulen-Vorrichtung (enthält Sende- und Empfangs-Spule)

5

elektrische Schnitt-Stelle zu einer Steuer-Einheit mit Signal-Verarbeitung (3 befindet sich in hinreichender räumlicher Nähe zu 2)
5: Prinzip-Darstellung der wichtigsten elektrischen Leiter-Kreise von Messwert-Aufnehmer 2 und Messwert-Aufnehmer-nahem Lesegerät 3 zur Erfindungs-gemäßen Überwachung der Härtung von Füllstoff-Edukten in Faser-Verbund-Werkstoffen. Es bedeuten:

L

planare Messwert-Aufnehmer-Spule

C

planarer Messwert-Aufnehmer-Kondensator

R

ohmscher Widerstand des elektrischen Leiters L, C und R bilden den Messwert-Aufnehmer 2

SSp

Sende-Spule

ESp

Empfangs-Spule SSp und ESp bilden das Lesegerät 3

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das neuartige Verfahren beruht auf den folgenden technischen Überlegungen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten.
Verlaufen zwei isolierte fadenförmige elektrische Leiter (zumindest abschnittsweise) parallel (z. B. als Interdigital-Struktur zweier Kämme, als Doppel-Mäander oder als Doppel-Spirale), bilden sie funktionell einen Kondensator. Ist der Kondensator Teil einer Leiter-Folie, ist das Dielektrikum dieses Kondensators ganz überwiegend der die Leiter-Folie umgebende Stoff, die Folie samt Leiterbahn ist flach und trägt nur wenig bei. Besteht die Umgebung z. B. aus einem aushärtenden Füllstoff, ändert sich die Eigenschaft des Dielektrikums (relative Permittivität ε_r) abhängig von der Aushärtung und es kommt zu einer Änderung der Kapazität C. Verläuft ein isolierter elektrischer Leiter z. B. (auch in einer Ebene) Mäander- oder Spiral-förmig, bildet er funktionell eine (planare) Spule. Ist der umgebende Stoff nicht ferromagnetisch, ändert sich die Induktivität der Spule L nur, wenn sich die Geometrie der Spule ändert. Werden die beiden Enden eines Kondensators mit den beiden Enden einer Spule verbunden (die somit beide nur aus einem stromdurchflossenen Leiter bestehen), bildet diese Anordnung einen sogenannten RLC-Resonanz-Kreis (RLC-Schwing-Kreis, siehe 1 A und B: Prinzip-Darstellung und 1 C: Schaltbild einer technische Umsetzung). Für die Impedanz Z eines RLC-Resonanz-Kreises gilt $\underline{Z} = (j ω L + R) / / \frac{1}{j ω C} = \frac{R + j ω \cdot (L - ω^{2} L^{2} C - R^{2} C)}{{(1 - ω^{2} L C)}^{2} + {(ω R C)}^{2}}$
und somit für die Resonanz-Kreis-Frequenz ω_r $I m (\underline{Z}) = 0$
$L - ω_{r}^{2} L^{2} C - R^{2} C = 0$
$ω_{r} = \sqrt{\frac{1}{L C} - {(\frac{R}{L})}^{2}} = \frac{1}{L} \sqrt{\frac{L}{C} - R^{2}}$
Die Resonanz-Kreisfrequenz ω_r hängt von den Werten der Kapazität C und der Induktivität L der Leiter-Struktur sowie dem ohmschen Widerstand R des Leiters ab. Weil im Allgemeinen L/C >> R² ist, kann der Beitrag des ohmschen Widerstandes R vernachlässigt werden und es ergibt sich $ω_{r} = \frac{1}{\sqrt{L C}}$
Erfindungs-gemäß wird eine Messwert-Aufnehmer-Folie mit einem RLC-Resonanz-Kreis während des Herstell-Prozesses zwischen die Fasern in die Füllstoff-Edukte-Matrix des entstehenden Verbund-Werkstoffes eingebracht. Ändert sich der Aushärtungs-Zustand, kommt es zu einer Änderung der Resonanz-Kreis-Frequenz ω_r (die Frequenz der maximalen Auslenkung A_0,max zum Zeitpunkt t = 0 der harmonischen elektrischen Schwingung, siehe 2 und 3). Die Resonanz-Kreis-Frequenz kann direkt aus den Spannungsverläufen der gedämpften harmonischen elektrischen Schwingung des RLC-Resonanz-Kreises ermittelt werden.
Die Resonanz-Kreis-Frequenz ist (wie gezeigt) im Wesentlichen abhängig von der Induktivität L und der Kapazität C des RLC-Schwing-Kreises.
Die Induktivität L kann, da sich ihre Geometrie praktisch nicht ändert, in erster Näherung als konstant angenommen werden. Mit der ermittelten Resonanz-Kreis-Frequenz kann somit die Kapazität C gemäß $C = \frac{K o n s t .}{ω_{r}^{2}}$
bestimmt werden (Konst. ist eine Konstante). Während des Aushärte-Prozesses ändert sich die relative Permittivität ε_r des Füllstoffes und damit die elektrische Kapazität C des Kondensators. Die relative Permittivität ε_r kann also indirekt über die Kapazität und damit über die Resonanz-Kreis-Frequenz ermittelt werden (ε_r = f(ω_r)).
Die Dämpfung d ist ein Maß für die exponentielle Abnahme einer gedämpften harmonischen elektrischen Schwingung eines RLC-Resonanz-Kreises nach einer Anregung. $d = \frac{R}{L} (A (t) = A_{m a x} e^{- \frac{d \cdot t}{2}} s i n (ω t))$
Die Dämpfung d ist von der Induktivität L der Spule und vom Temperatur-abhängigen ohmschen Widerstand R des Leiter-Materials abhängig. Sie kann aus der Abnahme der Amplituden der gedämpften harmonischen elektrischen Schwingung (siehe 2) direkt ermittelt werden.
Wenn wieder in erster Näherung die Induktivität als konstant angenommen wird, ist d direkt proportional zu R. Es gilt: $d = K o n s t . \cdot R$
In einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter ist wie bei jedem metallischen Leiter der ohmsche Widerstand im Wesentlichen eine Funktion der Temperatur-abhängigen Änderung der elektrischen Leitfähigkeit. Deshalb ist der ohmsche Widerstand eines elektrischen Leiters ein Maß für die Temperatur.
Verändert sich der ohmsche Widerstand R (durch Temperatur-Änderung), führt dies zu einer Änderung der Dämpfung. Über die Dämpfung d kann deshalb indirekt die Temperatur des Messwert-Aufnehmers bestimmt werden (T = f(d)).
Ohne weitere Schaltungs-Komponenten kann der RLC-Resonanz-Kreis (Messwert-Aufnehmer) durch einen Impuls - beispielsweise durch einen Rechteck-Impuls, induktiv übertragen von einer äußeren Spule (Sende-Spule SSp) auf den Resonanz-Kreis - zum Schwingen angeregt werden.
Die harmonische gedämpfte Schwingung des RLC-Resonanz-Kreises (deren zeitlicher Spannungsverlauf in 2 beispielhaft dargestellt ist) kann dann beispielsweise mit einer zweiten äußeren Spule (Empfangs-Spule ESp), induktiv übertragen von der Spule des Resonanz-Kreises zur Empfangs-Spule, aufgenommen werden.
Sowohl die Sende- als auch die Empfangs-Spule können als Spulen-Einheit in einer gemeinsamen Vorrichtung (Lesegerät) untergebracht sein, die wiederum bevorzugt über eine elektrische Schnittstelle mit einer Zentral-Einheit (zentrale Steuer- und Auswerte-Einheit) verbunden ist.
Nachfolgend ist die gesamte Anordnung eines passiven Messwert-Aufnehmers und der Komponenten zu seiner Anregung und Auslesung näher erläutert (siehe auch 4 und 5).
Die Anordnung besteht aus einem durch Härtung des Füllstoff-Eduktes herzustellenden und zu überwachenden FVW-Bauteil 1 und einem Hitze-beständigen Messwert-Aufnehmer in Folien-Form 2, der während des Herstell-Prozesses zusammen mit den verstärkenden Fasern in die Füllstoff-Edukte-Matrix eingebracht wird.
Die Messwert-Aufnehmer-Struktur 2 in dem zu überwachenden Füllstoff-Edukt 1 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material (elektrischer Leiter) aus dem ein ebenes Spulen-artiges Leiter-Gebilde L (mit der Induktivität L) und ein ebenes Kondensator-ähnliches Leiter-Gebilde C (mit der Kapazität C) angeordnet wird, die beide in einer elektrisch isolierenden Messwert-Aufnehmer-Folie eingebettet sind, die zwischen den elektrischen Leitern auch perforiert sein kann, so dass das zu überwachende Füllstoff-Edukt diesen Raum füllen kann.
L und C bilden einen sogenannten RLC-Resonanz-Kreis (RLC-Schwing-Kreis) mit der Resonanz-Kreis-Frequenz ω_r und der Dämpfung d.
In hinreichender räumlicher Nähe zum Messwert-Aufnehmer 2 befindet sich ein Lesegerät 3, dass eine Sende-Spule SSp und eine Empfangs-Spule ESp, beide bevorzugt vereint in einer Spulen-Einheit 4, sowie eine (drahtgebundene oder drahtlose) elektrische Schnitt-Stelle 5 für die Übertragung der Messwert-Aufnehmer-Signale enthält. Das Lesegerät 3 und der Folien-Messwert-Aufnehmer 2 sind induktiv und somit berührungslos bidirektional mit einander gekoppelt. Die Sende-Spule SSp regt den RLC-Resonanz-Kreis induktiv (mit der Resonanz-Kreis-Frequenz ω_r und der Dämpfung d) zum Schwingen an, die Empfangs-Spule ESp kann induktiv die Schwingung des RLC-Schwing-Kreises aufnehmen.
Mögliche Ausgestaltungen der Erfindung
Die Zusammenfassung der Sende-Spule SSp und der Empfangs-Spule ESp in einer Spulen-Einheit 4 des Lesegerätes 3 sind bevorzugt, aber keine obligate Bedingung.
Die Trennung von Sende-Spule SSp und Empfangs-Spule ESp in einem Lesegerätes 3 sind bevorzugt, sie können jedoch auch zu einer Sende-Empfangs-Spule zusammengefasst werden.
Die Spannungsverläufe der freien gedämpften harmonischen Schwingungen des RLC-Resonanz-Kreises sind das Messwert-Aufnehmer-Signal, welches drahtlos induktiv gekoppelt vom Lesegerät erfasst wird. Die Verläufe enthalten inhärent die Kennwerte Resonanz-Kreis-Frequenz ω_r und Dämpfung d der harmonischen Schwingung, die aus ihnen ermittelt werden können.
Sehr wichtige Informationen über den Aushärte-Prozess und den Aushärte-Zustand können insbesondere die physikalischen Größen Temperatur T und relativen Permittivität ε_r des Füllstoff-Eduktes liefern, die Erfindungs-gemäß ebenfalls indirekt aus den Messwert-Aufnehmer-Signale ermittelt werden können.
Nach der Aushärtung kann auch die Belastung, das sind mechanische Spannungen im Bauteil mit Struktur-Änderungen, durch Änderung der Messwert-Aufnehmer-Spulen-Geometrie indirekt über die Induktivität L (und damit über die Resonanz-Kreis-Frequenz ω_r, bei konstanter Kapazität C und ohmschem Widerstand R) bestimmt werden.
Die erfindungsgemäßen Messwert-Aufnehmer zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten während der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen sind bezüglich ihrer Machart nicht festgelegt - es können sämtliche klassischen Bauformen, als auch Produkte aus der Mikro-System-Technik zum Einsatz kommen.
Die Zentral-Einheit (zentrale Steuer- und Auswerte-Einheit) ist sowohl bezüglich ihrer Gestaltung, als auch bezüglich ihres Funktions-Umfangs nicht festgelegt und kann beispielsweise auch im Lesegerät untergebracht sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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EP 2241879 A1 [0011]
DE 19601947 C1 [0014]
DE 4019869 A1 [0014]
EP 1886120 B1 [0015]
DE 102011013645 A1 [0016]

Claims

Verfahren zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten während der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung eines Faser-Verbund-Werkstoffes vor der Härtung des Füllstoffes, passive planare Messwert-Aufnehmer, die elektrische Leiter-Bahnen in einer Hitze-beständigen und elektrisch isolierenden Folie enthalten, zwischen die Faser-Lagen integral (flächig) eingebracht werden, strukturell im entstehenden Faser-Verbund-Werkstoff verbleiben - wobei sie dessen Eigenschaften praktisch nur unwesentlich störend verändern - und die während der Härtung des Füllstoff-Eduktes von außerhalb des entstehenden Faser-Verbund-Werkstoffes berührungslos induktiv angeregt und von denen von außen kontinuierlich induktiv ihre Messwert-Aufnehmer-Signale ausgelesen werden, die simultan bezüglich mehrerer physikalischer Kenn-Größen ausgewertet werden.
Verfahren zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten während der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwert-Aufnehmer elektrische RLC-Resonanz-Kreise enthalten, die von außen induktiv zu freien gedämpften elektrischen Schwingungen angeregt werden, deren Verläufe von außen induktiv ausgelesen und bezüglich der Resonanz-Kreis-Frequenz sowie der Dämpfung der angeregten freien gedämpften harmonischen Schwingung ausgewertet werden.
Verfahren zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten während der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die angeregten freien gedämpften harmonischen elektrischen Schwingungen der Messwert-Aufnehmer bezüglich ihrer Resonanz-Kreis-Frequenz und ihrer Dämpfung ausgewertet werden und daraus die elektrische Permittivität und die Temperatur des umgebenden Füllstoff-Eduktes oder des ausgehärteten Füllstoffes ermittelt werden.
Verfahren zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten während der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aushärtung des Füllstoff-Eduktes zum Füllstoff die mechanische Belastung, also Dehnungen und Biegungen, durch auf das Bauteil wirkende Kräfte, durch Änderung der Messwert-Aufnehmer-Spulen-Geometrie und damit indirekt über die Änderung der Induktivität der Messwert-Aufnehmer-Spule (und damit über die Resonanz-Kreis-Frequenz) bestimmt werden kann.
Sensoren zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten während der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen gemäß dem Verfahren in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass deren Messwert-Aufnehmer 2, eingebettet in eine elektrisch isolierende und Wärmebeständige Folie, gestreckte (fadenförmige) elektrische Leiter enthalten, die sowohl ein planares Spulen-artiges Leiter-Gebilde (mit einer elektrischen Induktivität L), als auch parallel dazu ein ebenes Kondensator-ähnliches Leiter-Gebilde (mit einer elektrischen Kapazität C) enthalten, die funktional einen RLC-Resonanz-Kreis (elektrischer RLC-Schwing-Kreis) bilden und induktiv mit einem Lesegerät 3 gekoppelt sind.
Sensoren zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten während der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen gemäß den Sensoren in Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass deren Messwert-Aufnehmer induktiv mit einem Messwert-Aufnehmer-nahen Lesegerät 3 gekoppelt sind, dass eine Spulen-Vorrichtung 4 und eine elektrische Schnitt-Stelle 5 enthält.
Sensoren zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten während der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen gemäß den Sensoren in Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen-Vorrichtung 4 eine Sende-Spule SSp zur berührungslosen induktiven Anregung der RLC-Schwing-Kreise der Messwert-Aufnehmer 2 zu einer elektrischen Schwingung, sowie eine Empfangs-Spule ESp zur berührungslosen induktiven Aufnahme des Verlaufes angeregter Schwingungen der RLC-Schwing-Kreise als auswertbares Messwert-Aufnehmer-Signal der Sensoren enthält.
Sensoren zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten während der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen gemäß den Sensoren in Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-Spule SSp und Empfangs-Spule ESp zu einer Sende-Empfangs-Spule zusammen gefasst werden
Sensoren zur Überwachung der Aushärtung von Füllstoff-Edukten während der Herstellung von Faser-Verbund-Werkstoffen gemäß den Sensoren in Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnitt-Stelle 5 als Verbindungs-Element für den drahtgebundenen oder drahtlosen elektrischen Kontakt mit einer zentralen Steuer- und Auswerte-Einheit dient.