DE3824931A1 - Adaptive druckregelung auf modellbasis und verfahren zur harzaushaertung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckregelungsanordnung und ein Verfahren zur Regelung des Aushärtungsvorgangs bei bestimmten Harzen sowie die Anpassung der Regelungsanordnung an die Eigen­ schaften des jeweiligen Fertigungsloses und den Ablauf des Aushärtungsvorgangs.

Mit Graphitgewebe verstärktes Harz PMR-15 ist ein Hochtemperatur- Kompositmaterial zur Verwendung in Flug- und Automobil­ strukturen, etwa für Leitschaufeln von Flugzeugturbinen. Eine bestimmte Anzahl von Lagen aus mit solchen Polyimidharzen im­ prägniertem Graphitgewebe wird aufeinandergestapelt und in einer Presse oder einem Autoklav ausgehärtet. Bei niedrigeren Temperaturen und Drücken werden Lösungsmittel und Wasser ausgedampft und das Harz zu Imidisierung gebracht; in der Endstufe wird das Material unter hohem Druck erhitzt, und zwar auf eine Temperatur, wie sie für den Abschluß der Vernetzungsreaktion erforderlich ist. Gegenwärtig noch unkontrollierbare Variationen der Eigenschaften des Harzes und/oder des zur Umwandlung der Prepregs in fertige Produkte in der Fertigung angewandten Aushärtungsverfahrens machen es wünschenswert, eine Regelungseinrichtung zur Aufbringung hoher Drücke auf das auszuhärtende Werkstück zu einem Zeitpunkt, der von den Entwicklungseigenschaften des Materials des Werkstücks abhängt, verfügbar zu haben. Da Sensoren zur Messung der Materialeigenschaften verwendet werden, bestehen die Hauptforderungen an die Regelungsanordnung darin, daß diese auf Sensoren basiert und adaptiv regelt.

Zwar kann bezüglich der Nutzung solcher Regelungen auf umfangreiche Literatur und einige praktische Erfahrung zurückgegriffen werden, und bei vielen Applikationen wird mit Modellen der Arbeits­ weise der geregelten Anlage oder des Mittels der Anlage zu fertigenden Produkts gearbeitet, doch wurde bis heute noch keine zufriedenstellende Technik zum Aushärten von Hochtemperatur- Kompositstrukturen mit Polymerharzen entwickelt.

Die Erfindung schafft eine adaptive Regelungsanordnung auf Modellbasis und ein Verfahren zur Aufbringung von Hochdruck während der Vernetzungsphase von graphitverstärktem PMR-15 und anderen Harzen. Die Regelungsanordnung bestimmt ein charakteristisches Maximum der elektrischen Leitfähigkeit des mit dem Harz getränkten Materials während der Vernetzungsphase und bewirkt, daß der Hochdruck zu einem bestimmten Zeitpunkt vor Auftreten dieses Maximums aufgebracht wird. Dieses Maximum wird deshalb als Bezugspunkt für die Druckaufbringung gewählt, weil es sich auf einfache Weise messen läßt und experimentell herausgefunden wurde, daß es in engem Zusammenhang mit einem korrespondierenden Minimum der Viskosität des aushärtenden Harzes steht. Da sich die Zusammensetzung des Harzes nicht unbedingt genau kontrollieren läßt, beruht der Schätzwert für die bis Erreichen der maximalen Leitfähigkeit erforderlichen Zeit auf laufenden Messungen, sodaß dieser an den Ablauf des jeweiligen Aushärtungs­ prozesses angepaßt werden kann. Außerdem wurde gefunden, daß die Anpassung von Meßdaten an ein Prozeßmodell genauere Schätzwerte ermöglicht. Obwohl nicht unbedingt notwendig, werden für die Regelungsanordnung vorzugsweise ein vorhandenes Dielektro­ metersystem und dielektrische Sensoren verwendet.

Kurz gesagt besteht die Druckregelungsanordnung aus Sensoren und Instrumenten zur Lieferung der Daten von Werkstücktemperatur und Leitfähigkeit des Harzes an einem Computer im Verlauf des Aushärtungsprozesses. Es sind Mittel vorgesehen zur Berechnung der prognostizierten zukünftigen Veränderung der Leitfähigkeit des Harzes und der geschätzten Zeit bis Erreichen der maximalen Leitfähigkeit anhand eines mathematischen Modells (Siehe Gl. 1 bis 3) unter Nutzung der laufenden Daten für Temperatur und Leitfähigkeit, vorberechneter Schätzwerte für den Vernetzungsgrad als Funktion von Temperatur und Zeit und der laufenden Schätzwerte für Aktivierungsenergie und Aushärtungskonstanten.

Es sind Einrichtungen zur Übermittlung eines Signals zur Presse oder einer anderen Einrichtung vorhanden, um das Werkstück mit Hochdruck zu beaufschlagen, sobald die geschätzte Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums unter einen voreingestellten Schwellenwert abfällt. Ein wichtiges Merkmal der Regelungsanordnung besteht darin, daß das Leitfähigkeitsmodell ständig an die laufend ermittelten Daten angepaßt wird. Dadurch ergibt sich ein Mechanismus, der die Regelungsanordnung an die besonderen Eigenschaften des jeweiligen Harzloses und an den jeweiligen Verlauf des Aushärtungsvorgangs anpaßt. Die Aktivierungsenergie­ konstante wird als erstes eingestellt, danach die Aushärtungs­ konstante. Als Sensoren werden vorzugsweise ein Thermoelement und ein als Parallelplattenkondensator aufgebauter dielektrischer Sensor verwendet.

Ein weiteres Merkmal wird gebildet durch eine Datenakzeptanzlogik zur Zurückweisung von Meßdaten, die nicht in die Zeit- und Temperaturbereiche der Vernetzungsphase fallen, und von Leitfähigkeits­ daten, die um mehr als um einen gegebenen Faktor von den zuletzt akzeptierten Daten abweichen. Unterhalb der Schwellenwerte liegende Temperatur- und Leitfähigkeitsdaten werden unterdrückt.

Ein anderer Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Regeln der Beaufschlagung von hohem Druck während der Aushärtungs- und Vernetzungsphase von Harz enthaltendem Material, das entsprechend einem gegebenen Temperaturverlauf erhitzt wird. Während des Aushärtungsprozesses werden Temperatur und elektrische Leitfähigkeit des Materials gemessen. Es wird ein Leitfähigkeits­ modell wie zuvor beschrieben angewandt. Die nächsten Schritte bestehen im Einstellen der Werte von Aktivierungsenergie und Aushärtungskonstanten; letztere dienen als veränderliche Parameter zur Verminderung der Differenzen zwischen den hereinkommenden Daten und den Modellberechnungen sowie zur Berechnung der geschätzten Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeits­ maximums des Harzes. Die Beaufschlagung mit hohem Druck erfolgt, sobald die Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums unter einen Schwellenwert abfällt.

Weitere Merkmale des Verfahrens bestehen darin, daß, wenn brauchbare Sensordaten vorliegen, die Aktivierungsenergiekonstante so lange nachgestellt wird, bis sich eine bestimmte Anzahl von Datenpunkten akkumuliert und der Vernetzungsgrad einen Schwellenwert überschritten hat. Dann werden die Aushärtungskonstante eingestellt und die Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeits­ maximums berechnet.

Fig. 1 zeigt Kurven der Werkstücktemperatur T und des Logarithmus des dielektrischen Verlustparameters E′′ über der Zeit.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Regelungsanordnung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht der Anordnung des Formteils in der Presse.

Fig. 4 zeigt das Schema der Druckregelungsanordnung für eine beheizte Presse.

Fig. 5 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des dielektrischen Leitfähigkeitssensors.

Fig. 6 zeigt den Ablaufplan einer vorhandenen Software für eine Dielektrometer-Instrumentierung und einer neuen Software für die Regelungsanordnung mit den maßgeblichen Schritten zur Bestimmung des Zeitpunkts zur Aufbringung des hohen Drucks auf die Presse.

Die Vorgehensweise beim Aushärten von Teilen aus mit Graphitgewebe verstärktem Harz PMR-15 wird anhand von Fig. 1 kurz beschrieben. Das Harz ist eine Mischung von drei Komponenten und einem Methanol-Lösungsmittel; es wird auf ein Graphitgewebe aufgetragen. Zur Herstellung des gewünschten Teils werden imprägnierte Lagen aufeinandergestapelt. Anschließend wird das Harz in einer Presse oder einem Autoklaven ausgehärtet; in beiden Fällen wird das Teil entsprechend einem gegebenen Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Zeit erhitzt und mit Druck beaufschlagt.

Dabei soll hoher Druck aufgebracht werden, um das Teil zu verfestigen und die Bildung von Gasen während der Vernetzung zu verhindern, nachdem das Harz so viskos geworden ist, daß es durch den Druck nicht mehr aus dem Werkstück herausgepreßt werden kann, jedoch noch nicht so steif, daß es überhaupt nicht mehr fließt. Experimentell wurden bei typischen Aushärtungsvorgängen mit PMR-15 im Temperaturbereich nahe 300°C, in dem der größte Teil der Vernetzungsvorgänge stattfindet, mittels Online-Messung mit einem dielektrischen Sensor und einem Mikro-Dielektrometer ein Maximum der elektrischen Leitfähigkeit und korrespondierende benachbarte Minima der rheologischen Speicher- und Verlustparameter gefunden. Ein einfaches Modell des Aushärtungsprozesses zeigt, daß nahe dem Punkt, an dem der Vernetzungsvorgang etwa zur Hälfte abgelaufen ist, ein lokales Leitfähigkeitsmaximum zu erwarten sein dürfte. Dort kann die mit der Zunahme der Prozeß­ temperatur zusammenhängende Zunahme der Ladungsträgerdichte temporär durch eine Verminderung der Ladungsträgermobilität aufgrund der rapide ansteigenden Vernetzungsdichte überwunden werden. Die elektrische Leitfähigkeit ist dem Produkt aus der Ladungsträgerdichte und der Ladungsträgermobilität proportional.

Fig. 1 zeigt die Veränderung der gemessenen Werkstücktemperatur (T) und der gemessenen Veränderung des Parameters für den dielektrischen Verlust (E′′) bei den Frequenzen 1 Hz und 10 Hz. Die elektrische Leitfähigkeit verläuft proportional zum Parameter für den dielektrischen Verlust. Die Temperatur erhöht sich im wesentlichen linear bis zu etwas über 300°C, wo sie dann konstant gehalten wird, mit drei Unterbrechungs- und Haltepunkten bei etwa 95°C, 210°C und 310°C. Das Aushärtungsverfahren ist so ausgelegt, daß bei Temperaturen unterhalb von 150°C das Methanol- Lösungsmittel und das Wasser ausgedampft werden und der Druck niedrig gehalten wird, um das Entweichen dieser flüchtigen Stoffe zu ermöglichen. Bei Temperaturen zwischen 150°C und 250°C findet die Imidisierung des Harzes statt, ferner weitere Entwicklung von Methanol und Wasser; auch hier bleibt der Druck niedrig, um das Entweichen der flüchtigen Stoffe zu ermöglichen. Bei Temperaturen oberhalb von 250°C erfolgt die Vernetzung des Harzes, die Bildung von Zyklopentadienen; hoher Druck sorgt für die Verfestigung des Teils und für die Kondensation der flüchtigen Stoffe. Elektrische Leitfähigkeit und E′′ steigen anfänglich mit der Temperatur an, vermindern sich dann jedoch beim Austreiben der Lösungsmittel und dem Versteifen des Materials. Sie nehmen nochmals stark zu, wenn das Material nach der Imidisierung des Harzes zu schmelzen beginnt. Im Temperaturbereich zwischen 100°C und 200°C zeigen sich große Schwankungen bei der Messung der elektrischen Leitfähigkeit und von E′′, wobei die Leitfähigkeit jenseits dieses Bereichs wieder zunimmt. Die Vernetzungsaktion beginnt oberhalb von 200°C; die Leitfähigkeit erhöht sich auf ein nicht sehr ausgeprägtes Maximum nahe 300°C und fällt dann langsam ab. Die Verbreiterung der Kurvenzüge für E′′ deutet die Aufbringung von Hochdruck zu einem bestimmten Zeitpunkt vor Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums an. In einem typischen Fall dauert der Aushärtungsvorgang insgesamt 8 Stunden, wobei der hohe Druck 10-20 Minuten vor Auftreten des Maximums aufgebracht wird. Die Druckregelungsanordnung wird oberhalb von 200-250°C wirksam (die unterhalb davon gewonnenen Leitfähigkeitsdaten sind tendenziell unzuverlässig). Das Leitfähigkeitsmaximum wird deshalb als Bezugspunkt für die Aufbringung des Drucks genommen, weil es sich auf relativ einfache Weise messen läßt und Experimente gezeigt haben, daß es eng mit einem korrespondierenden Minimum der Viskosität des auszuhärtenden Harzes zusammenhängt.

Die Druckregelungsanordnung für die Zeitsteuerung zur Beaufschlagung mit hohem Druck vor Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums arbeitet auf Sensor- und Modellbasis und ist adaptiv. Da sich die Zusammensetzung des Harzes PMR-15 nicht genau kontrollieren läßt, muß der Schätzwert für den Zeitpunkt, zu dem das Leitfähigkeitsmaximum beim jeweiligen Aushärtungsvorgang auftritt, auf der Basis laufender Messungen gewonnen werden und an den Ablauf des jeweiligen Aushärtungsvorgangs angepaßt werden können. Außerdem hat sich empirisch gezeigt, daß die Übertragung (Anpassung) der Meßdaten auf ein Prozeßmodell zu erheblich besseren Schätzwerten und damit zu erheblich längeren Prognose­ zeiträumen führt.

In Fig. 2 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der Druckregelungs­ anordnung dargestellt. Ein Regelcomputer 10, in diesem Aufbau tatsächlich aus zwei Computern bestehend, weist die übliche Eingabetastatur 11, eine Anzeigeeinrichtung 12 und einen Magnet­ plattenspeicher 13 auf. Im letzteren können Computerprogramme und die während des jeweiligen Aushärtungsvorgangs gewonnenen laufenden Temperatur- und Leitfähigkeitsdaten abgespeichert werden. Der Computer steht über eine RS232C-Verbindung im Dialog mit der Schnittstelle 14 zur Steuerung der Presse. Block 15 repräsentiert die Sensoren und Stellglieder an der Presse; über die Schnittstelle senden diese Daten zum Computer und erhalten sie Befehle vom Computer.

In Fig. 3 sind einige Teile der Presse und der Aufbau der Preßform dargestellt. Die Presse weist einen oberen und einen unteren Teller 16 und 17 auf, beide beheizt; dazwischen befindet sich die zweiteilige Preßform 18 und 19. Das Preßformunterteil 18 besitzt eine Aushöhlung zur Aufnahme des Komposit-Werkstücks 20. Das Preßformoberteil 19 wird in der Aushöhlung geführt; es übt Gegendruck auf die Oberseite des Werkstücks aus. Der Druck wird von unten über den Kolben 21 zum unteren beheizten Teller zugeführt. Im Preßformoberteil 19 und im Preßformunterteil 18 sind ein oberes und ein unteres Thermoelement 22 und 23 zur Messung der Werkstücktemperatur an der Oberseite und am seitlichen Rand des Werkstücks 20 angeordnet. Zur Steuerung der Preßtemperatur werden die Meßwerte beider Thermoelemente gemittelt, doch gelangen nur die Meßwerte des unteren Thermoelements 23 in der Druckregelungseinrichtung zur Verwendung. Ein dielektrischer Sensor 24 (vergrößerte Darstellung siehe Fig. 5) mißt den der elektrischen Leitfähigkeit proportionalen Verlustparameter; er ist am Boden der Aushöhlung im Preßformunterteil 18 angeordnet und befindet sich in Kontakt mit dem Komposit-Werkstück 20. Die drei Sensorsignale werden über die Pressensteuerungs- Schnittstelle 14 zum Regelungscomputer 10 geleitet.

Die beheizte Presse und die Regelungseinrichtung zur Aufbringung des Drucks sind in Fig. 4 dargestellt. Der aus der Flasche 25 kommende Stickstoff wird zu einem Druckregelventil 26 geleitet; von dort geht es unter hohem Druck (14-35 bar) zu einem Magnet­ ventil 27. Auf der Niederdruckseite fließt Druckluft über ein Druckregelventil 28 zum Magnetventil 27; dieses schaltet in Reaktion auf ein von der Drucksteuerungsschnittstelle kommendes Signal von Nieder- auf Hochdruck um. In einem Fall wurde ein vom Druckerausgang des Regelungscomputers 10 abgegebenes Signal unter Umgehung der Drucksteuerungsschnittstelle benutzt. Das Gas fließt durch eine Pneumatikleitung 29, in der sich ein Mengen­ regelventil 30 befindet, zu einer Blasenmembran 31; diese steuert den Flluß einer Hydraulikflüssigkeit aus einem Akkumulator 32 zur Hydraulikleitung 33. Ein Sperrventil 34 ermöglicht die wahlweise Aufbringung von drei unterschiedlichen Drücken, nämlich hohen Druck, niedrigen Druck oder atmosphärischer Druck. Ein Druckwandler 35 in der Hydraulikleitung sendet ein Drucksignal zum Regelungscomputer. Die in eine Druckkammer 36 in der beheizten Presse gelangende Hydraulikflüssigkeit überträgt den Druck auf den Kolben 21. Dieser Druck erhöht sich aufgrund eines von der Druckregelungsanordnung gemäß dieser Erfindung kommenden Signals, sodaß das aushärtende Harz zu einem bestimmten Zeitpunkt vor Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums mit hohem Druck beaufschlagt wird. Im weiteren enthält die Presse gemäß dieser Figur eine vertikal verstellbare Oberplatte 37, Führungs­ stangen 38 für die Oberplatte und eine Grundplatte 39; die Führungs­ stangen sind in der Grundplatte befestigt. An der Unterseite der Oberplatte ist das beheizte Preßformoberteil 17 befestigt.

Der in Fig. 5 gezeigte dielektrische Sensor ist als Parallelplatten­ kondensator aufgebaut. Es wurde festgestellt, daß sich ein Aufbau mit Planarelektroden nicht dazu eignet, über einen ausreichend großen Meßbereich genügend Strom zu ziehen und dadurch die genaue und reproduzierbare Bestimmung der Stromstärke und der Phasenlage des Stroms zu ermöglichen. Der zur Bestimmung der Leitfähigkeitszunahme benutzte dielektrische Sensor 24 besitzt eine Festelektrode 40 auf einem Substrat 41. Dieses wird gegen die obere Drahtgitterelektrode 42 durch ein poröses Isolier­ stück 43 auf Abstand gehalten. Das flüssige Harz gelangt zwischen die Drähte der oberen Elektrode und durch die Isolier­ schicht zur unteren Elektrode. Der Sensor muß jedoch durch eine Auflage aus Glasfasergewebe oder -filz gegen das Eindringen von Graphitfasern geschützt werden. Eine Wechselspannungsquelle 44 beaufschlagt den Sensor mit einem Sinussignal von 1 Hz bis 10 kHz, im typischen Fall von 1 bis 100 Hz. Der Strom wird mit einem entsprechenden Dielektrometer 45 gemessen. Die Signale bei der Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Harz PMR-15 sind über den größten Teil des Temperaturbereichs bei der Aushärtung des Harzes weitgehend frei von Störsignalen oder Fehlern; die Leitfähigkeit konnte über mehr als sechs Dekaden gemessen werden. Das Prinzip der dielektrischen Messung besteht darin, daß der Harz enthaltende Sensor als verlustbehafteter Kondensator betrachtet und nach Anlegen einer sinusförmigen Spannung der Widerstandsverlust gemessen wird. Es läßt sich nachweisen, daß der dielektrische Verlust E′′ gleich dem resistiven Scheinleitwert, dividiert durch den kapazitiven Scheinleitwert im Vakuum, ist, also E′′ = ρ/ω ε₀, wobei ρ = elektrische Leitfähigkeit, ω = Frequenz und ε₀ = absolute Dielektrizitätskonstante. Die Messung beruht im wesentlichen auf dem Leitwert des Harzes und/oder der Isolation des Sensors.

Diese Druckregelungsanordnung arbeitet mit Leitwertmessungen am dielektrischen Sensor. Die Meßergebnisse werden auf ein mathematisches Leitfähigkeitsmodell übertragen, um den Zeitpunkt des Leitfähigkeitsmaximums des Harzes zu prognostizieren. Die laufende Übertragung der Sensordaten auf das Modell unmittelbar bei deren Ermittlung gibt einen Mechanismus zur Hand, mit dessen Hilfe die Regelungsanordnung an die besonderen Eigenschaften des jeweiligen Harzloses und an den Ablauf des jeweiligen Aus­ härtungsvorgangs angepaßt werden kann.

Das hier benutzte Leitfähigkeitsmodell kann mathematisch wie folgt beschrieben werden:

Dabei bezeichnen ρ, T und α jeweils die elektrische Leitfähigkeit; die Absoluttemperatur und den Grad der Vernetzung des Harzes PMR-15; die Subskripte 0 bezeichnen die Bezugsbedingung unmittelbar vor Beginn der Vernetzungsaktion. Die Größe E ist eine empirische Konstante, proportional der Aktivierungsenergie der Vernetzungsreaktion und als Temperaturwert angegeben. Die Konstante C ist eine dimensionlose empirische Konstante. E und C werden als veränderliche Parameter zur Anpassung dieses Leitfähig­ keitsmodells an die Daten benutzt. Dieses Modell, das von einem der Erfinder entwickelt wurde und von dem sich in der Folge gezeigt hat, daß es eine annehmbare Anpassung an die gemessenen elektrischen Leitfähigkeitsdaten ermöglicht, ist nicht für allgemeine Zwecke vorgesehen, sondern zur Verwendung im beschränkten Bereich derjenigen Aushärtungsbedingungen, bei denen die Vernetzungsreaktionen vorherrschen. Die Gleichung 1 kann als modifizierte Arrheniusgleichung bezeichnet werden. Der letzte Ausdruck wurde so modifiziert, daß die Geschwindigkeit des Vernetzungsvorgangs berücksichtigt wird.

Es bietet sich an, die Möglichkeiten des Regelungscomputers zur Berechnung von Logarithmen anhand der experimentellen Daten zu nutzen, um brauchbare Variablen, die sich zusammen mit den veränderbaren Koeffizienten des Modells linear verändern, zu erhalten. Durch Logarithmierung beider Seiten von Gleichung 1 ergibt sich:

In dieser Gleichung beschreibt der zu E proportionale Ausdruck eine stetige Erhöhung von ln(ρ) mit der Temperatur. Der zu C proportionale Ausdruck hingegen kann bei steigender Temperatur ein lokales Maximum von ln(ρ) bewirken, da sich die fraktionale Aushärtung α schnell von Werten nahe Null auf Werte nahe Eins erhöht, sobald die Temperatur den charakteristischen Punkt für die Vernetzungsreaktion durchläuft. Durch Differenzieren der letzten Gleichung nach der Temperatur ergibt sich:

Laut Modell tritt dann ein ein Spitzenwert der elektrischen Leitfähigkeit auf, wenn die rechte Seite dieser Gleichung gegen Null geht. Der Spitzenwert kann sich bei dT/dt → 0 auch für mäßige Werte von dα/dt ergeben, doch erfordert das Auftreten eines Spitzenwerts der Leitfähigkeit bei ansteigender Temperatur unbedingt ein stark zunehmendes α.

Der für das vorstehende Modell benötigte Wert von α, des jeweiligen Vernetzungsgrads, läßt sich nicht leicht messen. Er wird für jeden einzelnen Aushärtungsvorgang entsprechend dem im Anhang angegebenen Vernetzungsmodell berechnet.

Die Druckregelungsanordnung wird mit einem in BASIC geschriebenen Programm für Hardware, Software und dielektrischen Sensor P 3 (letzterer ist in Fig. 5 gezeigt) für ein Mikrodielektrometer Eumetric® System II von Micromet Instruments, Inc., implementiert. Das Steuerungsprogramm zur Erfassung der von diesem Instrument gelieferten Daten, zur Durchführung von Extrapolationen in Übereinstimmung mit den Modellen und zur Erzeugung eines Signals zur Steuerung der Hochdruckbeaufschlagung bei der Aushärtung von Kompositen aus PMR-15 mit Graphitverstärkung umfaßt sechs BASIC-Subroutinen und einige Schnittstellenanweisungen. Dieses Programm soll in das unter Copyright von Micromet stehende BASIC-Programm PCMON eingearbeitet werden. Das letztere Programm wird auf einem IBM PC zur Erfassung der von dielektrischen Micromet-Sensoren kommenden Informationen, die während der Verarbeitung von Kompositen anfallen, benutzt. Das Micromet-Programm fragt die Temperatur ab, legt Prüfspannungen an und mißt die Ströme am dielektrischen Sensor. In Fig. 6 ist die vor­ handene Software des Mikrodielektrometer-Systems in der oberen linken Ecke repräsentiert; der Rest ist neue Regelungssoftware. Gemäß Fig. 6 wird zu Beginn, Schritt 46, das Micromet-Programm zum Anlauf gebracht; dann beginnt der Übergang zur neuen Software mittels der Schnittstellenanweisungen. Zu diesen, Schritt 47, gehören Initialisierungsvariablen, z. B. Synchronisationszeichen und Variablen zum Setzen von Zählern und Zeitgliedern zur Bestimmung der Restzeit bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums auf die Anfangswerte. Andere Schnittstellenanweisungen dienen zum Aufruf des neuen Programms, zur Übermittlung von Befehlen zur Anzeige und zur Anwahl von Kanälen für die Verarbeitung der Leitfähigkeitsdaten für die Temperaturmessungen.

Das Regelungsprogramm wird mit Schritt 48 mit einem Aufruf zum Laden einer Temperaturkurve für das zu verarbeitende Teil fortgesetzt. Es handelt sich dabei um eine Verlaufskurve für die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit. Sie entspricht etwa der Werkstück-Temperaturkurve gemäß Fig. 1 und ist vom Verfahrens­ techniker vorzuschreiben. Der Verlauf der Temperaturkurve hängt im wesentlichen von der Teilegeometrie ab. Die Kurve enthält die Haltepunkte entsprechend dem in Teilstrecken mit der Temperatur über der Zeit linear verlaufenden Aushärtungsvorgang.

Als nächstes berechnet das Programm in Schritt 49 den Verlauf des Aushärtungsvorgangs, indem es eine Subroutine zur schrittweisen Linearinterpolation und eine Subroutine zur Berechnung des Aushärtungsgrads aufruft. Da gewöhnlich diejenigen Punkte, an denen die berechnete Aushärtung stattfinden soll, nicht mit Haltepunkten der Temperaturkurve zusammenfallen, müssen die Temperaturen in den Perioden zwischen den Haltepunkten interpoliert werden. Zur Berechnung des jeweiligen Vernetzungsgrads wird eine BASIC-Implementierung des im Anhang, Gleichungen 4-10, aufgeführten Vernetzungsmodells benutzt. Das Ergebnis besteht aus einer Tabelle mit Werten des prognostizierten Aushärtungsgrads als Funktion von Temperatur und Zeit. Die Berechnung der einzelnen Punkte dauert jeweils eine Sekunde oder länger; deshalb wird sie offline und vor Beginn des Aushärtungsvorgangs durchgeführt. Eine Toleranz von 1% ist ausreichend. Das Aushärtungs­ schema basiert auf der vorgegebenen Temperaturkurve und nicht auf den während der Aushärtung tatsächlich auftretenden Temperaturen, doch erfolgt eine Nachregelung durch Rückmeldung der Prozeßtemperatur; außerdem sind die deshalb auftretenden Nachteile vernachlässigbar klein. Die Werte der Änderungs­ geschwindigkeit von Temperatur und Aushärtungsgrad können berechnet und abgespeichert werden.

Während der Schritte 50 und 51 erfolgt ein Rücksprung auf das Micromet-Programm, um den Aushärtungsvorgang auszulösen und die Heizkörper der Presse einzuschalten, sowie um die Daten bezüglich der Werkstücktemperatur und der Leitfähigkeit, die vom Thermoelement 23 und vom dielektrischen Sensor 24 geliefert werden, abzufragen. Das Regelungsprogramm überprüft die Sensordaten und bestimmt in Schritt 52, ob sie zulässig sind. Da nur im Vernetzungsbereich von Zeit und Temperatur liegende Daten verarbeitet werden und da im Zeitraum kurz vor Beginn des Vernetzungs­ vorgangs im allgemeinen niedrige und stark von elektrischen Störungen überlagerte Signale anliegen, werden die Daten in dieser Subroutine von der Datenakzeptanzlogik gefiltert, um unbrauchbare Werte nach Möglichkeit zurückzuweisen. Die Logik arbeitet mit Schwellenwerten für Temperatur, Leitfähigkeit, berechneten Aushärtungsgrad und Anzahl der bereits akzeptierten Punkte (Temperatur und Leitfähigkeit). Beispielsweise werden Werte für Temperaturen unterhalb von 473°K oder für gemessene Leitfähigkeiten, deren Logarithmus (Basis 10) kleiner als -11 ist, nicht akzeptiert. Außerdem werden Leitfähigkeitswerte, die um mehr als den Faktor 10 vom zuletzt akzeptierten Wert abweichen, zurückgewiesen. Weiterhin bewirken zwei aufeinanderfolgende derartige Werte, daß sämtliche zuvor akzeptierten Daten ungültig werden und der Datenakkumulationsprozeß von neuem beginnt, d. h. der Datenzähler wird dann zurückgesetzt. Somit wird in den Schritten 53-55 ein Datenzähler dann inkrementiert, wenn am betreffenden Punkt brauchbare Daten vorliegen. Wenn die Abweichung von den zuletzt abgefragten Daten nicht zu groß ist, werden die nächsten Sensordaten abgefragt und daraufhin über­ prüft, ob sie über den vorgegebenen Schwellenwerten liegen. Bei Akzeptierung des ersten Leitfähigkeitswerts kann eine Abschätzung der bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums erforderlichen Zeit durchgeführt werden, unter Verwendung von Gleichung 3 mit Werten für a aus der berechneten Aushärtungskurve und der Standard­ werte 14 000 K und 2,5 für die Aktivierungsenergie E und die Aushärtungskonstante C. Dieser anfängliche Schätzwert wird vorläufig nicht verändert.

In den Schritten 56-59 wird die Aktivierungsenergiekonstante E zuerst eingestellt und dann die Aushärtungskonstante C, um die Übereinstimmung zwischen den hereinkommenden Daten und den auf Gleichung 2 beruhenden Modellberechnungen zu verbessern. Wenn die Anzahl der akzeptierten Datenpunkte und der prognostizierte Aushärtungsgrad unter den jeweiligen gesetzten Schwellenwerten von 5 Punkten und Aushärtungsgrad 0,03 liegen, erzeugt jeder nach dem ersten akzeptierten Datenpunkt einen Aufruf für die Subroutine zur Berechnung der Aktivierungsenergie, um den gespeicherten Wert der Aktivierungsenergie E anzupassen. Während dieser ersten Stufe wird der Wert von C auf dem Standardwert gehalten. Die Berechnung der Aktivierungsenergiekonstanten erfolgt nach Gleichung 2. Anhand der Modellgleichung 2 erfolgt eine Abschätzung des Ausmaßes der Änderung von ln p gegenüber dem Wert für den ersten akzeptierten Datenpunkt; dieser Schätzwert wird mit dem sich aus den Daten ergebenden Istwert verglichen. Der berechnete Wert von E wird dann auf einen Teil, 50%, von seinem augenblicklich gespeicherten Wert bis zu dem Wert eingestellt, der die Modellberechnung mit dem zuletzt experimentell gewonnenen Wert zur Übereinstimmung bringen würde. Sobald die Anzahl der akkumulierten Datenpunkte den Schwellenwert (5 Punkte) überschreitet, und auch der berechnete Aushärtungsgrad (Schwellenwert 0,03), wird der gespeicherte Wert für E festgehalten. Jeder neue Leitfähigkeitswert führt zu einem Aufruf der Subroutine zur Berechnung der Aushärtungskonstanten, um den gespeicherten Wert für C so zu verändern, daß die Übereinstimmung zwischen den hereinkommenden Daten und den Modellberechnungen verbessert wird. Unter Benutzung eines ähnlichen Algorithmus′ erfolgt eine Abschätzung der Änderung von ln ρ gegenüber dem ersten akzeptierten Wert gemäß der Modellgleichung 2; dieser Schätzwert wird mit dem sich aus den Daten ergebenden Istwert verglichen. Der Wert von C wird dann auf 60% des Wegs von seinem augenblicklich gespeicherten Wert bis zu dem Wert eingestellt, der die Modellberechnung mit den zuletzt akzeptierten Daten in Übereinstimmung bringen würde. Sobald die Einstellung der Aushärtungskonstanten C begonnen hat, werden nach Akzeptierung eines neuen Werts stets neue Berechnungen der Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums durchgeführt.

Zwar treten bei den ersten Schätzwerten für die Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums meistens Fluktuationen auf, doch setzen sich die berechneten Werte üblicherweise, sodaß sie eine fast linear abnehmende Kurve, die auf ein Leitfähigkeitsmaximum an einem festen absoluten Zeitpunkt deutet, bilden. Wenn der Schätzwert für die Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums unter den gesetzten Schwellenwert abfällt, wird in den Schritten 60 und 61 ein Signal erzeugt und zu der Heizeinrichtung (Magnet­ ventil 27 in Fig. 4) gesendet, um das Werkstück mit hohem Druck zu beaufschlagen.

Abschließend sei gesagt, daß die adaptive Druckregelungsanordnung und das Verfahren zur Steuerung der Aufbringung von hohem Druck so flexibel und zuverlässig sind, daß sie nutzbringend in der Fertigung eingesetzt werden können. Die Regelungsanordnung adaptiert sich selbsttätig an das jeweilige Harzlos und den jeweiligen Aushärtungsvorgang. Das Harzleitfähigkeitsmodell wird im laufenden Betrieb unmittelbar an die Sensordaten angepaßt.

Die Anwendung des zuvor beschriebenen Leitfähigkeitsmodells auf experimentell gewonnene Daten mach die Abschätzung des Vernetzungsgrads α, auch Aushärtungsgrad genannt, erforderlich. Dessen Berechnung wird aus der Analyse von Kurven des Aushärtungsgrads über der Zeit für PMR-15, gemessen von Lauver (Journal of Polymer Science: Polymer Chemistry Edition, 17, 2529-2539 (1979)), abgeleitet. Bei diesen Experimenten wurde die Vernetzungstemperatur konstant gehalten. Die empirische Entsprechung der von Lauver gemessenen Daten ergibt sich durch den Ausdruck

Hierbei sind A, B, Z ausschließlich Funktionen von T; t _m ist eine Kurve über der Zeit, unabhängig von der Temperatur. Da dα/dt bei t _m kontinuierlich verlaufen muß, sind nur zwei der drei Parameter A, B, Z unabhängig; sie müssen folgende Bedingung erfüllen:

A + 2Bt _m = Z (5)

Das explizite Auftreten der Zeit in Gleichung 4 verkompliziert die Benutzung des Modells, da sich in einem isothermischen Experiment die Zeit auf die Zeit bezieht und sie sich in einem typischen Aushärtungsprozeß von der laufenden Zeit unterscheidet.

Zur Ableitung der Veränderung von ρ über kurze Perioden (zwischen den Tabellenpunkten in einer Nachschlagetabelle) kann die Gleichung 4 integriert werden, so daß sich folgendes ergibt:

Der obere Ausdruck von Gleichung 6 ergibt für t = t _m

-ln(1 - α _m ) = At _m + Bt _m ²

Da t _m eine bekannten Konstante ist und A sowie B bekannte Funktionen der Temperatur sind, kann diese Gleichung nach α _m als Funktion der Temperatur aufgelöst werden:

α _m = 1 - exp(-At _m - Btm²) (7)

Wenn α < α _m , gilt der obere Ausdruck von Gleichung 6; er kann aufgelöst werden, wenn um die Zeit t* des isothermischen Experiments entsprechend jedem beliebigen Wert des Aushärtungsgrads a* zu berechnen:

Vor der Quadratwurzel steht ein Minuszeichen, da B eine negative Größe ist (A < Z) und die kleinere der zwei möglichen positiven Lösungen für t* tatsächlich realisiert wird (die Neigung der Kurve -ln(1-α) in Abhängigkeit von t kehrt im Bereich t < t _m nicht um). Der Aushärtungsgrad, der eine kurze Zeit δ = (t - t*) nach t* vorhanden ist, wobei T im wesentlichen konstant bleibt, kann berechnet werden aus

-ln(1 - α) = ln(1 - α*) + A(t* + δ) + B(t* + δ)², α* α _m (9)

Wenn α < α _m , gilt der untere Ausdruck in Gleichung 6; die Veränderungs­ geschwindigkeit des Aushärtungsgrads hängt dann nur von der Temperatur ab. Die Veränderung des Aushärtungsgrads während einer kurzen, im wesentlichen isothermischen Periode mit der Dauer δ nach α = α* ergibt sich aus

-ln(1 - α) = -ln(1 - α*) + Z δ (10)

In den Gleichungen 9 und 10 wird die Änderung von dα/dt während des Zeitintervalls δ ausreichend berücksichtigt, in Übereinstimmung mit Gleichung 4. Ihre Gültigkeit ist jedoch auf Perioden, während denen die Temperatur T im wesentlichen konstant bleibt, beschränkt, ebenso wie die Gültigkeit von Gleichung 4.

Die Erfindung wurde zwar insbesondere in Bezug auf ihre zu bevorzugenden Verwirklichungen dargestellt und beschrieben, doch versteht es sich für Fachleute, daß Änderungen hinsichtlich Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne von Gehalt und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (16)

1. Adaptive Druckregelanordnung auf Modellbasis für eine Einrichtung, in der ein Harz enthaltendes Werkstück durch Erhitzung entsprechend einer vorgegebenen Kurve der Temperatur über der Zeit erhitzt wird, unter Aufbringung eines niedrigen Drucks während der anfänglichen Stadien des Aushärtevorgangs und eines hohen Drucks nach Beginn der Vernetzung des Harzes, gekennzeichnet durch Sensoren und zugehörige Instrumentierung zur Lieferung von Werkstücktemperatur- und Harzleitfähigkeitsdaten an einen Regelcomputer während des Aushärtungsprozesses, wobei der Regelcomputer Mittel aufweist zur Berechnung der prognostizierten zukünftigen Veränderung der Leit­ fähigkeit des Harzes und der geschätzten Zeit bis Erreichen eines Leitfähigkeitsmaximums anhand eines mathematischen Modells unter Verwendung laufend ermittelter Temperatur- und Leitfähigkeitkeitsdaten, vorberechneter Schätzwerte des jeweiligen Vernetzungsgrades sowie der Aktivierungsenergie- und Aushärtungskonstanten und
Mittel zur Übermittlung eines Signales zu der Einrichtung, um den hohen Druck auf das Werkstück aufzubringen, wenn die geschätzte Zeit bis Erreichen des Leit­ fähigkeitsmaximums unter einen vorgegebenen Schwellenwert abfällt.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner Mittel zur sofortigen Anpassung des mathematischen Modells an die laufend gewonnenen Daten vorgesehen sind.

3. Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel Mittel aufweisen, um zunächst die Aktivierungsenergiekonstante und danach die Aushärte­ konstante einzustellen und die geschätzte Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums neu zu berechnen.

4. Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer eine Datenakzeptanzlogik zur Zurückweisung laufend gewonnener Daten, die nicht in einen Zeit- und Temperaturbereich der Vernetzung fallen und die um einen gegebenen Faktor von den zuletzt vorhergehenden Daten abweichen, aufweist.

5. Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren aus einem Thermoelement und einem dielektrischen Sensor mit der Struktur eines Parallel­ plattenkondensators bestehen.

6. Adaptive Druckregelanordnung für eine beheizte Presse, in der ein mit Graphitgewebe verstärktes Werkstück aus Harz PMR-15 nach einer vorgegebenen Kurve der Temperatur über der Zeit und Aufbringung von niedrigem Druck während des anfänglichen Stadiums der Aushärtung und von hohem Druck nach Beginn der Vernetzung des Harzes ausgehärtet wird, gekennzeichnet durch:
Mittel zur Erfassung der Werkstücktemperatur und der Leitfähigkeit des Harzes und zur Übermittlung der Sensordaten zu einem Regelcomputer während des Aushärtevorgangs, wobei der Computer aufweist:
Mittel zur prognostischen Berechnung eines Schätzwerts des jeweils erreichten Grads der Vernetzung als Funktion von Temperatur und Zeit aus einem Vernetzungs­ modell;
Mittel zur Berechnung der prognostizierten zukünftigen Veränderung der Leitfähigkeit des Harzes und der geschätzten Zeit bis Erreichen eines Leitfähigkeitsmaximums aus einem mathematischen Modell, das mit laufend ermittelten Temperatur- und Leitfähigkeitsdaten arbeitet, des jeweils erreichten Vernetzungsgrades sowie der Aktivierungsenergie- und der Aushärtekonstanten, welch letztere sofort so eingestellt werden, daß das Modell den laufend gewonnenen Daten entspricht, und
Mittel zur Übermittlung ein Signal zur beheizten Presse, um den hohen Druck auf das Werkstück aufzubringen, wenn die geschätzte Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeits­ maximums unter einen vorgegebenen Schwellenwert abfällt.

7. Regelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Datenerfassung ein Thermoelement und ein hochleitfähiger dielektrischer Sensor mit Parallelplattenkondensator-Struktur sind.

8. Regelanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Zurückweisung von Sensordaten, die nicht in einem Zeit- und Temperaturbereich der Vernetzung liegen, und von Leitfähigkeitsdaten, die um mehr als um einen gegebenen Faktor von den zuletzt akzeptierten Daten abweichen, vorhanden sind.

9. Verfahren zum Regeln einer Hochdruckbeaufschlagung während der Aushärtung und Vernetzung eines Harz enthaltenden Materials, das entsprechend einem vorgegebenen Temperaturverlauf erhitzt wird, gekennzeichnet durch:
Kontinuierliches Messen der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit des Materials während des Aushärteprozesses;
Ausbilden eines Leitfähigkeitsmodells zur Prognostizierung der zukünftigen Veränderung der Leitfähigkeit des Harzes anhand der im laufenden Prozeß erfaßten Temperatur- und Leitfähigkeitsdaten, eines vorausberechneten Schätzwerts für den jeweils erreichten Vernetzungsgrad sowie der Aktivierungsenergie- und Aushärtekonstanten.
Einstellen der Werte der Konstanten, wobei diese als einstellbare Parameter zur Verbesserung der Übereinstimmung zwischen den hereinkommenden Daten und den Modellberechnungen dienen;
Berechnen einer geschätzten Zeit bis Erreichen eines Leitfähigkeitsmaximums des Harzes; und
Beaufschlagen des Materials mit dem hohen Druck, wenn die Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums unter einen Schwellenwert abfällt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitfähigkeitsmodell mathematisch ausgedrückt wird durch: wobei σ, T und α jeweils die elektrische Leitfähigkeit, die Absoluttemperatur und den Grad der Vernetzungsreaktion des Harzes darstellen, sich die Subskripte 0 auf eine Referenzbedingung unmittelbar vor der Vernetzungsreaktion beziehen und E die Aktivierungsenergie­ konstante sowie C die Aushärtekonstante bezeichnet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ungeeignete Werte der herinkommenden Daten, die nicht in einem Zeit- und Temperaturbereich der Vernetzung liegen, zurückgewiesen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungsenergiekonstante E eingestellt wird, bis eine akzeptable Anzahl von Daten akkumuliert ist und der Grad der abgelaufenen Vernetzungs­ reaktion über einem Schwellenwert liegt, und dann die Aushärtekonstante C eingestellt und die Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums berechnet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatur- und Leitfähigkeits-Datenpunkte, die unterhalb von Schwellenwerten und nicht in einem Vernetzungs­ bereich liegen, und alle Leitfähigkeitsdaten, die erheblich von einem zuletzt akzeptierten Wert abweichen, zurückgewiesen werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Aktivierungsenergiekonstante eingestellt wird, beginnend mit einem Standardwert, bis eine gegebene Anzahl von akzeptablen Datenpunkten akkumuliert ist und der berechnete Grad der abgelaufenen Vernetzungsreaktion über einem Schwellenwert liegt, und danach nur die Aushärtekonstante eingestellt und die Zeit bis Erreichen des Leitfähigkeitsmaximums berechnet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das auszuhärtende Material ein faserverstärktes Harz ist.

16. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das auszuhärtende Material mit Graphitgewebe verstärktes Harz PMR-15 ist.