DE19716071A1 - Verfahren zur Überwachung des Aushärtungsvorgangs von Kunststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren mit dem es ermöglicht wird, durch lokale Applikation oder Einbringung eines flächigen Aktor/Sensors den Verarbeitungsprozeß und den Aushärtevorgang von duromeren Kunststoffen zu überwachen und durch Verbleib des Aktor/Sensors im Material auch eine Bauteilüberwachung im Betrieb vorzunehmen.

Im Rahmen der Qualitätssicherung während der Herstellung von Bauteilen aus duromeren Kunststoffen kommt der Überwachung des Verarbeitungspro­ zesses eine bedeutende Rolle zu. Für den Aufbau eines Prozeßreglers ist daher ein Beobachter notwendig, welcher zuverlässig den Prozeßablauf in allen Teilschritten verfolgen kann. Im Laufe des Verarbeitungsprozesses von duro­ meren Kunststoffen ändern sich deren elektrische, mechanische, chemorheo­ logische und optische Eigenschaften. Diese Veränderungen können u. a. mit den im folgenden angesprochenen Meßmethoden qualitativ und quantitativ er­ faßt werden. Einen Überblick zu den möglichen Methoden geben (Halley, P. J. et al.: Chemorheology of Thermosets - An Overview; Polymer Engineering and Science, Vol. 36 No. 5, pp. 503-609, 1996) und (Mÿovic J. et al.: Present and Future Trends in "IN-SITU" Monitoring of Processing of Advanced Com­ posites; SAMPE Joumal, Vol. 28 No. 5, pp. 39-46, 1992). Die Dielektrizi­ tätsmessung, bei der eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Kunststoffes erfaßt wird, ist weltweit verbreitet. Folgende Autoren berichten umfassend zu dieser Thematik (Stöger, M.: Dielektrische Vernetzungs­ überwachung zur Kontrolle und Optimierung duromerverarbeitender Prozes­ se, Aachener Beiträge zur Kunststoffverarbeitung, Band 14, 1993), (Shepard, David D. et al.: Applications of Dielectric Analysis for Cure Monitoring and Control in the Polyester SMC/BMC Molding Industry; Proceeedings of the 49th Annual Conference of the Composites Institute SPE, pp. 18-D/S. 1-5, 1994) und (Stark, W.: Dielektrometrie - Online Zykluszeitoptimierung, Ta­ gungsband der 8. Int. Duroplasttagung Würzburg, 1996). Die Veränderung der optischen Eigenschaften duromerer Kunststoffe und deren meßtechnische Erfassung werden unter anderem von (Roberts, S.S. et al.: Cure and fabrication monitoring of composite materials with fibre-optic sensors; Composites Science and Technology, Vol. 49 No. 3, pp. 265-276, 1993) und (Zimmermann, B. et al.: Fiber Optic Sensors for Composite Cure Monitoring; SME Technical Paper EM92-116, 1992) behandelt.

Eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften des Kunststoffes während seiner Verarbeitung nutzt das Verfahren der Mechanischen Impedanz Analyse (Jang, B.Z. et al.: Real Time Cure Monitoring of Composite Structures Using the Techniques of Mechanical Impedance Analysis; Polymer Composites, Vol. 12 No. 1; pp. 66-74, 1991). Hierbei wird eine extern in Schwingungen versetzte stiftförmige Sonde von außen in den zu verarbeitenden duromeren Kunststoff eingetaucht und dessen Kraftfunktion und Beschleunigungen ge­ messen. Durch eine Fast Fourier Transformation (FFT) kann dann im Impe­ danzspektrum die Resonanzfrequenz ermittelt werden. Eine Veränderung die­ ser Resonanzfrequenz korreliert mit der zunehmenden Aushärtung des duro­ meren Kunststoffs. Nachteilig an diesem Verfahren ist zum einen der notwen­ dige externe Zugriff auf das Material, die ausschließlich lokale Messung und die Tatsache, daß nur die Aushärtung des Kunststoffs meßbar ist. Weitere Pro­ zeßteilschritte sind nicht erfaßbar. Für die meisten Verarbeitungsverfahren von verstärkten, gefüllten, unverstärkten oder ungefüllten Kunststoffen ist die­ se Methode daher nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben genannten Art zu entwickeln, bei dem die bisherigen Nachteile der Mechanischen Impe­ danz Analyse ausgeglichen werden und eine vollständige Prozeßüberwachung bei der Verarbeitung von verstärkten, gefüllten, unverstärkten oder ungefüll­ ten Kunststoffen möglich wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt ein Verfahren, mit welchem lokal ein gleich­ zeitig als Sensor agierender flächiger Aktor in den zu verarbeitenden Kunst­ stoff eingebracht wird. Dieser flächige Aktor/Sensor kann beispielsweise aus einem piezoelektrischen Material bestehen. Wird dieses piezoelektrische Ma­ terial mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so ändert er in seinen Vorzugsrichtungen seine geometrische Gestalt. Diese Gestaltsänderung ist in Fig. 3 für einen planaren Wandler dargestellt. Dessen elektrischer Anschluß kann durch feine Drähte oder durch Verwendung von Kohlenstoffasern erfol­ gen. Der Wandler kann durch das Anlegen einer veränderlichen Spannung so­ mit zu mechanischen Schwingungen angeregt werden (Aktorbetrieb) und nach Beendigung des Aktorbetriebs als Sensor die Rückkopplung aus seiner Umge­ bung erfassen. Während der Verarbeitung des flüssigen oder streichfähigen Kunststoffes umschließt dieser den Aktor/Sensor und im Laufe der Aushär­ tung wandelt sich der Kunststoff von seinem Ausgangszustand in einen Fest­ körper um. Diese Berührung mit dem Kunststoff als auch die mechanische Veränderung des den Aktor/Sensor umgebenden Materials spiegelt sich in dem Antwortsignal seiner Übertragungsfunktion wider. Dieser Effekt tritt beson­ ders deutlich in dem Bereich der Resonanzfrequenz des Aktor/Sensor und des­ sen Veränderung auf.

Ein Auswertungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 aufgeführt und wird im folgenden näher beschrieben. Dargestellt ist die Frequenzantwort eines plana­ ren integrierten piezoelektrischen Aktor/Sensor, wobei die Bereiche 1 und 2 mit der größten Amplitudenänderung ausgewiesen sind. Deutlich zu erkennen ist der Einfluß des den Wandler umgebenden flüssigen Kunststoffs und dessen zunehmende Aushärtung. Der Einfluß des Aushärtegrades auf die Signalant­ wort des Aktor/Sensors ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Mit zunehmen­ dem Aushärtegrad sinkt das Meßsignal. Dies zeigt die Funktionsfähigkeit der beschriebenen Erfindung und seine Einsatzmöglichkeit zur Prozeßüberwa­ chung bei der Verarbeitung von verstärkten, gefüllten, unverstärkten oder un­ gefüllten Kunststoffen. Bei Injektionsverfahren zur Verarbeitung von verstärk­ ten, gefüllten, unverstärkten oder ungefüllten Kunststoffen kann mit dieser Er­ findung sowohl eine Fließfronterkennung, die Fließfrontgeschwindigkeit als auch der Aushärtevorgang gemessen werden. Nach der Verarbeitung verbleibt der Wandler in dem Bauteil und kann zur Strukturüberwachung und -beein­ flussung genutzt werden (siehe auch Gandhi M.V. et al.: Smart Materials and Structures; Chapman & Hall, London 1992).

Die Vorteile der beschriebenen Erfindung gegenüber herkömmlichen Verfah­ ren bestehen insbesondere in der umfassenden Möglichkeit, alle Prozeßteil­ schritte zu beobachten, der universellen Verwendbarkeit bei allen bekannten Verfahren zur Verarbeitung von duromeren Kunststoffen (Injektionsverfahren, Laminierverfahren, Wickeltechnik, Autoklavverfahren, Preßverfahren, Klebe­ verfahren) und der sehr guten Auflösung/Reproduzierbarkeit (Fig. 3). Die be­ schriebene Erfindung ist darüberhinaus besonders kostengünstig zu realisieren und ermöglicht eine erhebliche Reduzierung der Zykluszeiten bei der Verar­ beitung von duromeren Kunststoffen, da eine Entformung des Bauteils nach erfolgter Aushärtung durch die meßtechnische Erfassung wesentlich früher er­ folgen kann. Darüberhinaus wird eine kontinuierliche Kontrolle von der Ent­ stehung bis zum Betrieb des Bauteils mit nur einem Aktor/Sensor erstmals er­ möglicht.

Claims (6)

1. Verfahren zur Überwachung des Aushärtevorgangs von verstärkten, ge­ füllten, unverstärkten oder ungefüllten Kunststoffen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Aktor/Sensor in das Material eingebracht wird, der die Materialdämpfung dieses Materials und dessen Änderung, da sie in di­ rekter Beziehung zum Aushärtegrad steht, erfaßt und in dem Material verbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den ein­ gebrachten Aktor/Sensor der komplette Verarbeitungsprozeß von der er­ sten Berührung mit dem flüssigen oder streichfähigen Material über des­ sen Aushärtung bis zu einer Bauteilüberwachung im Betrieb mit nur die­ sem einen Aktor/Sensor ermöglicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauform des Aktor/Sensors sowohl flächig als auch als Biegewandler ausgeführt sein kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor/Sensor vorzugsweise aus piezoelektrisch aktivem Material besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor/Sensor vorteilhaft in dem Frequenzbereich seiner Resonanz­ frequenz, also dem Bereich größter Amplitudenänderung betrieben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung der Signale des Aktor/Sensors dessen Frequenzspek­ trum betrachtet wird.