DE19912723C1

DE19912723C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Durchtränkung von Faserhalbzeugen

Info

Publication number: DE19912723C1
Application number: DE19912723A
Authority: DE
Inventors: Christof Sigle; Arno Pabsch; Jens Kleffmann; Axel Herrmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1999-03-20
Filing date: 1999-03-20
Publication date: 2000-11-09
Anticipated expiration: 2019-03-21

Abstract

Eine Vorrichtung dient zur Bestimmung der Durchtränkung von Faserhalbzeugen und hat eine Trageeinrichtung für Fasermaterial und eine Injektionseinrichtung zum Injizieren von Harz in das Fasermaterial. Neben dem Fasermaterial sind Reflexkoppler zur Messung des Reflexionsgrades des Faserhalbzeugs angeordnet und eine Auswerteeinheit ist zum Auswerten der gemessenen Reflexionsgrade zur Bestimmung der Durchtränkung des Faserhalbzeugs mit den Reflexkopplern verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Durchtränkung von Faserhalbzeugen. Die Vorrich tung hat eine Trageinrichtung für Fasermaterial und eine Injek tionseinrichtung zum Injizieren von Harz in das Fasermaterial, wobei das Harz in das Fasermaterial injiziert wird und dieses durchtränkt.

Zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen sind verschie dene mehr oder weniger automatisierbare Verfahren bekannt, wie z. B. Handlaminierverfahren, Faserspritzverfahren, Wickelverfah ren, Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM-Verfahren) oder Pre preg-Verfahren. Als Faserwirkstoffe werden Glasfasern, Kohlen stofffasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, Bor- und Silizium carbidfasern und dergleichen eingesetzt. Bei dem RTM-Verfahren wird das Harz mit einem Überdruck in trockenes Fasermaterial injiziert, das in Form eines Vorformlings in einem Werkzeug ab gelegt ist. Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen wird das Werk zeug vor der Injektion evakuiert. Dann kann das Harz mit zusätz lichem Druck injiziert werden. Das Verfahren ist dahingehend verbessert worden, daß das trockene Fasermaterial in einer mas siven Werkzeughälfte abgelegt wird und mit einer flexiblen Ober form, wie z. B. einer Folie, abgedeckt wird. Anschließend wird die Luft unter der Folie abgesaugt und das Werkzeug in einen Autoklaven eingebracht. Das Harz wird anschließend an einer Sei te des Werkzeugs injiziert und auf der gegenüberliegenden Seite des Werkzeugs abgesaugt, so daß dieses durch das Werkzeug fließt und das Fasermaterial durchtränkt.

Vor allem bei der Fertigung hochwertiger komplexer Bauteile kommt der Tränkung des Fasermaterials eine entscheidende Bedeu tung zu. Um eine gleichmäßige Produktqualität zu gewährleisten, darf die Gelierung des Harzes erst nach vollständiger Füllung des Bauteiles einsetzen. Daher muß die Fließgeschwindigkeit z. B. durch Veränderung des Injektionsdrucks oder des Autoklaven drucks gesteuert oder die Aushärtephase durch Veränderung der Temperatur angepaßt werden. Es ist daher erforderlich, den Fließprozeß des Harzes während der Herstellung relativ genau zu erfassen.

Aus M. Kleinberg, Ermittlung und Charakterisierung der Prozeßpa rameter eines weiterentwickelten RTM-Verfahrens, interner Be richt 131-95/34, DLR Braunschweig 1995 ist bekannt, die Fließ front des Harzes mittels Druckmeßumformer zu erfassen. Hierzu wurde vorgeschlagen, Druckmeßumformer in eine Tischplatte zu in tegrieren, auf der das Bauteil gelagert ist. Mit den Druckmeß umformern können Druckunterschiede zwischen trockenem Fasermate rial und durchtränktem Fasermaterial erkannt und ausgewertet werden. Dieses Verfahren ist aufgrund der Sensorik relativ teu er. Zudem werden die Meßergebnisse durch den über die flexible Folie auf dem Fasermaterial wirkenden Autoklavendruck beeinflußt und es kann eine Druckänderung erst relativ spät detektiert wer den, wenn das Harz den Meßpunkt bereits überflossen hat.

Weiterhin ist bekannt, die Fließfront optisch mit einer Kamera zu erfassen. Die Kamera müßte dann aber in den Autoklaven einge baut werden, was besondere Anforderungen an die Kamera stellt. Zudem ist diese Art der Meßerfassung relativ teuer und erfordert aufwendige Auswerteprogramme für die erkannten Bilder.

Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Durchtränkung von Faserhalbzeugen zu schaffen, wobei die Fließfront eines Harzes durch Fasermate rial relativ genau und zuverlässig detektierbar sein sollte und der Meßaufbau kostengünstig ist.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 dahinge hend gelöst, daß neben dem Fasermaterial Reflexkoppler zur Mes sung des Reflexionsgrades des Faserhalbzeugs angeordnet sind und eine Auswerteeinheit zum Auswerten der gemessenen Reflexionsgra de zur Bestimmung der Durchtränkung der Faserhalbzeuge mit den Reflexkopplern verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird damit die Fließfront des Harzes unter Aus nutzung der unterschiedlichen Reflexionseigenschaften von troc kenem und durchtränktem Fasermaterial detektiert. Die hierzu verwendeten Reflexkoppler sind sehr preisgünstig und zuverläs sig. Vorteilhafterweise werden optische Reflexkoppler verwendet, die jeweils einen Sender und einen Empfänger aufweisen.

Die Fließfront kann am besten durch Reflexionsmessung im infra roten Spektralbereich bestimmt werden. Dieser Spektralbereich hat sich für Faserverbundwerksstoffe als sehr vorteilhaft her ausgestellt.

Die Reflexkoppler können vor Verschmutzungen und sonstigen äuße ren Einflüssen sicher angebracht werden, wenn sie unterhalb von der Trageinrichtung, z. B. einem Werkzeugtisch, diametral gegen überliegend zu dem Faserhalbzeug angeordnet sind. Die Tragein richtung muß hierbei für die Wellen der Reflexkoppler durchläs sig sein. Für optische Reflexkoppler kann die Trageinrichtung z. B. eine durchsichtige Glasplatte sein.

Die Reflexkoppler können aber auch in die Trageinrichtung, d. h. in die Werkzeug- bzw. Tischplatte eingebaut sein.

Alternativ hierzu kann z. B. für undurchsichtige Werkzeuge die Erfassung der Reflexionen von oben erfolgen, wobei die Reflex koppler auf die das Fasermaterial bedeckende Folie gerichtet sind. Die Reflexkoppler sind somit diametral gegenüberliegend von der Trageinrichtung angeordnet, so daß das Faserhalbzeug zwischen der Trageinrichtung und den Reflexkopplern liegt.

Die Fließfront des Harzes kann sehr genau und zuverlässig ausge wertet werden, wenn die Reflexkoppler matrixförmig angeordnet sind.

Zur Verringerung des Verkabelungsaufwandes und zur Erleichterung der Auswertung ist es vorteilhaft, wenn eine Reihe von Reflex kopplern parallel an eine gemeinsame Auswerteeinheit geschaltet sind. So können z. B. die jeweils in Längsrichtung des Faser halbzeugs ausgerichteten Reflexkoppler zusammengeschaltet sein.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Empfänger der Reflexkoppler jeweils parallel geschaltet werden, die eine Diagonale in Bezug auf das Faserhalbzeug bilden.

Entsprechend den vorstehenden Erläuterungen der Erfindung weist das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte auf:
Messen der Reflexion des Faserhalbzeugs an einer Vielzahl von Positionen und
Auswerten der Änderungen des Reflexionsgrades.

Die Messung der Reflexionen kann für Faserhalbzeuge im infraro ten Spektralbereich liegen.

Es ist vorteilhaft, die Reflexionen an Meßpunkten aufzusummie ren, die entweder in Längsrichtung des Faserhalbzeuges oder in Querrichtung des Faserhalbzeuges befindlich sind. Besonders vor teilhaft ist es, die Reflexionen an den Meßpunkten aufzusummie ren, die in Bezug auf das Faserhalbzeug eine Diagonale bilden. Dann kann die Fließfront aus einem stufenförmigen Ansteigen der Meßsignale dedektiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnun gen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 - Längsschnitt der Vorrichtung zur Bestimmung der Durch tränkung von Faserhalbzeugen mit Reflexkopplern, die unterhalb einer Glasplatte angeordnet sind;

Fig. 2 - Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 - Parallelschaltung einer Reihe von Sendern und Empfän gern von Reflexkopplern;

Fig. 4 - Meßsignal zur Bestimmung der Fließfront des das Faser material durchtränkenden Harzes, wobei die Reflexions signale jeweils in einer Diagonalen in Bezug auf das Faserhalbzeug aufsummiert sind;

Fig. 5 - Prinzipskizze einer Anordnung für das Differential druck-Resin-Transfer-Moulding-Verfahren.

Fig. 1 läßt einen Längsschnitt einer Vorrichtung zum Herstellen von Faserhalbzeugen erkennen, bei dem Fasermaterial 1 auf eine Trageinrichtung 2 aufgelegt ist. Die Trageinrichtung 2 ist als Glasplatte ausgeführt. Das Fasermaterial 1 ist mit einer Folie 3 abgedeckt, das an den Enden des aus dem Fasermaterial 1 gebilde ten Bauteils mit einem Dichtband 4 jeweils abgedichtet ist. Die Glasplatte und die Folie 3 bilden einen Hohlraum für das Faser material 1, in das eine Injektionsleitung 5 zum Einbringen von Harz in das erste Ende des Bauteils geführt ist. An dem anderen Ende des Bauteils ist eine Vakuumleitung 6 vorgesehen, die eben falls in den Hohlraum geführt ist. Das durch die Injektionslei tung 5 in das Fasermaterial 1 injizierte Harz wird durch die Vakuumleitung 6 in das andere Ende des Bauteils gezogen, so daß das Harz allmählich zu dem anderen Ende des Bauteils fließt und das Fasermaterial 1 durchdringt.

Unterhalb von der Glasplatte sind Reflexkoppler 7 vorgesehen, die jeweils aus einem Sender und einem Empfänger bestehen. Der Sender sendet ein Infrarotlicht aus, und der Empfänger registriert den von dem trockenen bzw. durchtränkten Fasermate rial 1 reflektierten Anteil des Infrarotlichtes. Die Infrarot sender werden mit einer Spannung beaufschlagt und vorzugsweise konstant betrieben. Die Ausgänge 8 der Empfänger werden zu einer nicht dargestellten Auswerteeinheit geführt.

Die Fig. 2 läßt eine Draufsicht auf die oben beschriebene Vor richtung erkennen, wobei die Reflexkoppler 7 in einer Matrix über die gesamte Fläche der Trageinrichtung 2 verteilt sind. Weiterhin läßt die Fig. 2 erkennen, daß die Folie 3 mit einem rings um das Fasermaterial 1 bzw. das Bauelement umlaufende Dichtband 4 abgedichtet ist, so daß das Fasermaterial 1 vakuum dicht eingeschlossen wird.

Die Fig. 3 läßt die Verschaltung der Reflexkoppler 7 erkennen. Unter einem Reflexkoppler 7 werden insbesondere optoelektroni sche Bauelemente mit einem Sender 9 und einem Empfänger 10 ver standen, die in einem gemeinsamen Gehäuse 11 angeordnet sind. Als Sender 9 werden z. B. LEDs und als Empfänger 10 z. B. Foto transistoren oder Fotodioden verwendet. Die Sender 9 und Empfän ger 10 sind optisch miteinander verbunden, galvanisch jedoch vollkommen voneinander getrennt. Hierzu werden Sender 9 und Emp fänger 10 an jeweils eine separate Spannungsquelle 12, 13 ange schlossen. Durch einen vor den Reflexkoppler 7 gehaltenen re flektierenden Gegenstand oder durch Änderung des Reflexiongrades z. B. durch Erscheinen der Fließfront des Harzes ändert sich der elektrische Widerstand des Empfängers 10. Damit kann mit einer geeigneten und bekannten Meßelektronik der Reflexionsgrad de tektiert werden. Aus der Fig. 3 ist erkennbar, daß die Sender 9 an eine gemeinsame Spannungsquelle 12 angeschlossen sind. Auch die Empfänger 13 sind an eine separate gemeinsame Spannungsquel le 12 angeschlossen. Die Meßleitungen 14 der Empfänger 10 laufen jedoch getrennt. Allerdings können die Meßleitungen 14 von Re flexkopplern 7 auch parallel geschaltet werden. Hierzu können z. B. die aus der Fig. 2 erkennbaren Reflexkoppler 7 in einer in Längsrichtung des Bauteils von links nach rechts laufenden Bahn zusammengeschaltet werden. Sie können auch in Querrichtung, d. h. nach Fig. 2 von oben nach unten parallel geschaltet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die jeweils ein Diagonale bildenden Reflexkoppler 7 parallel zusammengeschaltet werden. Dann ergibt sich ein in der Fig. 4 gezeigtes Meßsignal. Es ist erkennbar, daß sich die Meßsignale der parallel geschalteten Reflexkopplern 7 stufenartig mit der Zeit t verändern. Ein Sprung in der Signalkurve zeigt an, daß die Fließfront jeweils einen in der parallel geschalteten Kette der Reflexkoppler 7 folgenden Meßpunkt erreicht hat. Damit kann das Fortschreiten der Fließfront durch die zeitlich verschobene Anzeigeerhöhung detektiert und ausgewertet werden. Dem dargestellten Meßdiagramm liegt ein Meßaufbau vor, bei dem jeweils drei Sensoren 9 paral lel geschaltet und zehn Meßleitungen 14 insgesamt vorgesehen sind.

In der Fig. 5 ist eine Prinzipskizze einer Anordnung für das Differenzialdruck-Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM-Verfah ren) zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen skizziert, bei dem die erfindungsgemäße Meßvorrichtung unter Verwendung von Reflexkopplern 7 und das vorstehend beschriebene Verfahren vor teilhaft einsetzbar ist. Bei diesem RTM-Verfahren wird ein Bau teil aus ungetränktem Fasermaterial 1 auf ein Tragelement 2 auf gelegt und mit einer Folie 3 vakuumdicht abgeschlossen. Dieses Werkzeug wird in einen Autoklaven 15 gestellt, der einen Über druck P_Autoklav erzeugt. Mit einer Injektionsleitung 5 wird ein Ge misch aus Harz 17 und Härter 18 in das Bauteil mit einem Injek tionsdruck P_Injektion injiziert. Gleichzeitig wird das durch die Folie 3 vakuumdicht abgeschlossene Bauteil über eine Vakuumlei tung 6 mit einer Vakuumpumpe 16 mit dem Druck P_Vakuum evakuiert. Dann wird das Bauteil durch den Differenzdruck P_D zwischen dem Überdruck des Autoklaven 15 P_Autoklav und dem Injektionsdruck P_Injek _tion komprimiert, so daß Luftbläschen vermieden werden. Durch die Verwendung eines Autoklaven 15 können die Injektionszeiten ver kürzt und die Druckbelastung auf das Werkzeug verringert werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Durchtränkung von Faserhalb zeugen mit einer Trageinrichtung (2) für Fasermaterial (1) und einer Injektionseinrichtung zum injizieren von Harz in das Fasermaterial (1), dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Fasermaterial (1) Reflexkoppler (7) zur Messung des Re flexionsgrades des Faserhalbzeugs angeordnet sind und eine Auswerteeinheit zum Auswerten der gemessenen Reflexiongrade zur Bestimmung der Durchtränkung des Faserhalbzeugs mit den Reflexkopplern (7) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexkoppler (7) jeweils einen optischen Sender (9) und Empfänger (10) haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexkoppler (7) im infraroten Spektralbereich betrie ben werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung (2) durchläs sig für die Wellen der Reflexkoppler (7) ist und die Re flexkoppler (7) unterhalb von der Trageinrichtung (2) dia metral gegenüberliegend zu dem Faserhalbzeug angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung (2) eine durchsichtige Glasplatte ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Trageinrichtung (2) eine Tischplatte ist und die Reflexkoppler (7) in die Tischplatte eingebaut sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Reflexkoppler (7) oberhalb von dem Faserhalbzeug angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Reflexkoppler (7) matrixför mig angeordnet sind und in mehreren Reihen in Fließrichtung des Harzes verteilt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (10) der Reflexkoppler (7) parallel geschal tet sind, die jeweils eine Diagonale im Bezug auf die Längsrichtung des Faserhalbzeugs bilden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Empfänger (10) der Reflexkoppler (7) parallel geschaltet sind, die eine Querreihe in Bezug auf die Längsrichtung des Faserhalbzeugs bilden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Empfänger (1) der Reflexkoppler (7) parallel geschaltet sind, die eine Längsreihe in Bezug auf die Längsrichtung des Faserhalbzeugs bilden.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Sender (9) der Reflexkoppler (7) parallel geschaltet sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trageinrichtung (2) eine Tischplatte ist, das Faserma terial (1) auf der Tischplatte aufliegt und von einer Folie (3) vakuumdicht eingeschlossen ist, wodurch ein Hohlraum gebildet wird, eine Injektionsleitung (5) zum injizieren von Harz an einem ersten Tischende in den Hohlraum geführt ist, und eine Vakuumleitung (6) an den gegenüberliegenden Tischende zum Absaugen des Harzes aus dem Hohlraum geführt ist.

14. Verfahren zur Bestimmung der Durchtränkung von Faserhalb zeugen, wobei Harz in Fasermaterial (1) injiziert wird und durch das Fasermaterial (1) fließt, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Messen der Reflexion des Faserhalbzeuges an einer Vielzahl von Positionen und
- Auswerten der Änderung des Reflexionsgrades.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionen an Meßpunkten gemessen werden, die in Längs richtung des Faserhalbzeugs befindlich sind, und die Refle xionen an den Messpunkten jeweils einer Längsstrecke auf summiert werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionen an Meßpunkten gemessen werden, die in Querrich tung des Faserhalbzeugs befindlich sind, und die Reflexio nen an den Meßpunkten jeweils einer Querstrecke aufsummiert werden.

17. Verfahren und Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionen an Meßpunkten gemessen werden, die in Diagonal richtung des Faserhalbzeugs befindlich sind, und die Refle xionen an den Meßpunkten jeweils einer Diagonalen aufsum miert werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die Fließfront des Harzes durch einen stufenförmigen Anstieg der jeweiligen aufsummierten Meßsi gnale bestimmt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, gekennzeich net durch Messung der Reflexionen im infraroten Spektralbe reich.