WO2014108444A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der bauteildicke eines faserverbundbauteils - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der bauteildicke eines faserverbundbauteils Download PDF

Info

Publication number
WO2014108444A1
WO2014108444A1 PCT/EP2014/050241 EP2014050241W WO2014108444A1 WO 2014108444 A1 WO2014108444 A1 WO 2014108444A1 EP 2014050241 W EP2014050241 W EP 2014050241W WO 2014108444 A1 WO2014108444 A1 WO 2014108444A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
component
autoclave
fiber composite
thickness
laser distance
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/050241
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hakan Ucan
Olaf Steffen
Michael Kühn
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. filed Critical Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Publication of WO2014108444A1 publication Critical patent/WO2014108444A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
    • B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C70/44—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using isostatic pressure, e.g. pressure difference-moulding, vacuum bag-moulding, autoclave-moulding or expanding rubber-moulding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00—Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/0227—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould using pressure vessels, e.g. autoclaves, vulcanising pans
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C2791/00—Shaping characteristics in general
    • B29C2791/004—Shaping under special conditions
    • B29C2791/009—Using laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00—Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/0288—Controlling heating or curing of polymers during moulding, e.g. by measuring temperatures or properties of the polymer and regulating the process

Definitions

  • fiber composite components which are produced from one or more fiber composite materials are now used in many fields of application. Particularly in the aerospace industry, such materials are indispensable, as they offer optimum adaptations, especially with regard to lightweight construction.
  • a frequently encountered manufacturing process is the production of a fiber composite component in an autoclave.
  • pressure up to 10 bar
  • temperature more than 200 ° C
  • the fiber material and matrix system component is cured, so that the fibers form an integral connection with the matrix material. Since the autoclave process is an important step in the entire manufacturing process, a great deal of attention is paid to monitoring the individual parameters of this production step.
  • the thickness of the component can be locally determined with knowledge of the speed of sound.
  • the integration of the ultrasonic sensors in the vacuum structure has disadvantages.
  • the plastic film must be provided with an opening, which forms potential leakage points and should generally be avoided, as this could result in a rejection of the component.
  • this type of integration makes the vacuum build-up even more time-consuming and complex than they already are.
  • the component thickness over the time of the curing process is not constant, since it is due to the chemical reaction of the matrix material during curing to a material change, which is reflected in a change in the component thickness.
  • the component thickness is assumed to be constant over time. This simplification, however, makes an error that ultimately does not lead to exact results.
  • the invention proposes that first an autoclave and at least one laser distance sensor be provided, wherein the at least one laser distance sensor is aligned in the direction of a tool provided in the autoclave.
  • a laser distance sensor is a distance sensor that emits a laser beam that is reflected by a remote station, wherein the reflected beam is detected by the distance sensor and then determines the distance between the laser distance sensor and remote station by determining the time.
  • the measurement principle of a laser distance sensor is thus based on the transit time measurement of a transmitted laser beam.
  • a reference measurement is first carried out with the at least one laser distance sensor in order to determine the distance between the laser distance sensor and the sensor in the autoclave. to identify the slotted tool. As a result, the reference distance between the laser distance sensor and the tool without the component is obtained.
  • the autoclave production process is started.
  • an on-line measurement is now performed to determine the distance between the laser distance sensor and the component on the tool as the component spacing.
  • this component distance ie the distance between the laser distance sensor and the fiber composite component in the autoclave and the previously performed reference measurement and the resulting reference distance between laser distance sensor and tool can now be determined determine the component thickness of the fiber composite component continuously during the curing process. This can be calculated, for example, using the following formula:
  • Component thickness A reference .
  • Component thickness A reference .
  • the at least one laser distance sensor is arranged outside the autoclave in such a way that the laser distance sensor is detected by a display provided in the autoclave. glass can perform the distance measurement.
  • Such sight glasses are provided on the autoclave for inspection of the interior of the autoclave.
  • the laser distance sensor (s) can now be arranged on the outside of these sight glasses, so that a distance measurement is performed by the sight glasses.
  • the laser beam is emitted from the laser distance sensor through the sight glasses in the direction of the component and reflected by these back through the sight glass.
  • At least one laser distance sensor is arranged on each sight glass.
  • at least one laser distance sensor is arranged on one side on each of these five sight glasses, so that in this way the entire feed length of the autoclave through these sight glasses can be observed.
  • the inventors have recognized that a distance measurement with the aid of a laser distance sensor is safe and accurate even by the thick sight glasses, which usually have to withstand high pressures and temperatures.
  • the laser distance sensors can also be arranged in the interior of the autoclave, in which case the laser distance sensors are arranged in pressure vessels in order to be able to withstand the high pressures and temperatures inside the autoclave. It is conceivable here that the pressure vessels are fluid cooled.
  • the component thickness is expediently also calculated as a function of a known film thickness and / or a known thickness of a tear fabric.
  • the vacuum build-up inside the outer Tklaven in which ultimately the fiber composite component is, in addition to a sealing vacuum film on a tear-off, on which not infrequently also the resin injection. Knowing the thickness of the film and the tear-off fabric, it is now possible to determine the thickness of the component during the entire curing process in a highly accurate manner.
  • an active intervention in the pressure control by means of the autoclave computer takes place in such a way that a predetermined component thickness is set.
  • the autoclave pressure can be adjusted, with increasing the autoclave pressure, the fiber material of the fiber composite component is compressed more, resulting in a reduction of the component thickness.
  • the autoclave pressure can be reduced, whereby the compaction is reduced and the component thickness is increased.
  • At least one ultrasonic sensor for monitoring ultrasonic signals is applied to the fiber composite component during the autoclave curing process, wherein during the autoclave curing process, the propagation velocity of the ultrasonic signal in the fiber composite component is dependent on the Running time of the ultrasonic signal and the determined component thickness is calculated.
  • the component thickness can be calculated using an ultrasonic sensor according to the following equation:
  • V sound velocity sweetness thickness / t runtime ultrasonic signal
  • the fiber volume content of the fiber composite component can also be determined during the autoclave curing process. This is particularly advantageous when structurally critical components are to be produced, since an excessively high fiber content leads to an impairment of the component stability perpendicular to the fiber direction.
  • the determined component thickness and, for example, with knowledge of the number of fiber layers, it is thus possible to deduce how high the fiber volume content is in the area of the online measurement.
  • Figure 1 a, 1 b schematic representation of the measuring principle of the online thickness measurement
  • FIG. 1 a, 1 b show schematically the measuring principle of the online thickness measurement.
  • FIG. 1 a shows the execution of the reference measurement
  • FIG. 1 b shows the online measurement during the autoclave production process.
  • FIG. 1 a shows an autoclave 1 in which a tool 2 is located, onto which the fiber composite component to be produced is to be deposited later.
  • a tool 2 is located, onto which the fiber composite component to be produced is to be deposited later.
  • sight glasses 3 which allow insight into the interior of the autoclave 1 during the autoclave production process.
  • a laser distance sensor 4 is arranged outside of the autoclave 1, which is aligned so that the laser beam 5, which is emitted by the laser distance sensor 4, strikes the tool 2, preferably in the area in which the later component rests on the tool.
  • This reference distance between laser Distance sensor 4 and tool 2 is the basis for the online thickness measurement during the autoclave production process.
  • This structure of the online thickness measurement is not shown in FIG. It differs now to the effect that now a fiber composite component 6 is arranged on the tool 2, so that with the aid of the laser distance sensor 4 and the injecting laser beam 5, the distance between the laser distance sensor 4 and the component 6 are determined can.
  • This component spacing now varies during the autoclave manufacturing process, as the component thickness also changes. With knowledge of the reference distance can now be closed to the exact component thickness of the fiber composite component 6.
  • an ultrasonic sensor 7, which can emit ultrasonic signals into the component 6, is furthermore provided on the tool 2. This is done, for example, such that the ultrasonic signals of the ultrasonic sensor 7 are first transmitted to the tool 2 and then into the component 6.
  • the component thickness of the fiber composite component is continuously determined according to the measuring principle described above, wherein the speed of sound within the component can be concluded with knowledge of the transit time of the ultrasonic signals and with knowledge of the current component thickness. This then allows conclusions about the degree of hardening of the component 6.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Bauteildicke eines Faserverbundbauteils während der Aushärtung in einem Autoklaven, wobei mit Hilfe eines Laser-Abstand-Sensors zunächst der Abstand zu dem Werkzeug und dann während des Aushärtungsprozesses kontinuierlich der Abstand zum Bauteil ermittelt wird, wobei aus dem Abstand zum Werkzeug und dem Abstand zum Bauteil dann auf die Bauteildicke geschlossen werden kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Bauteildicke eines Faserverbundbauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Bauteildicke eines Faserverbundbauteils während der Aushärtung des Faserverbundbauteils in einem Autoklaven.
Aufgrund der besonders vorteilhaften Eigenschaft, bei einem sehr geringen Gewicht eine hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Steifigkeit aufzuweisen, werden Faserverbundbauteile, die aus einem oder mehreren Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden, mittlerweile in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Luft- und Raumfahrt sind derartige Werkstoffe nicht mehr wegzudenken, da sie insbesondere im Hinblick auf den Leichtbau optimale Anpassungen bieten.
So werden heutzutage nicht selten bereits strukturkritische Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt und eingesetzt, wie beispielsweise Flügel oder Rumpfschalen von Flugzeugen. Aber auch im Automobilbereich werden vermehrt Faserverbundbauteile eingesetzt, da die entstehenden Gewichtseinsparungen meist proportional zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führen.
Dabei gibt es die Bestrebung, Faserverbundbauteile in der Serienproduktion qualitätssicher herstellen zu können. Ein wichtiges Kriterium hierbei ist es, den Herstellungsprozess qualitätssicher zu gestalten und insbesonde- re die einzelnen Herstellungsschritte lückenlos und sicher überwachen zu können. Nur so kann gewährleistet werden, dass fehlerhafte Bauteile sicher und effizient während des Herstellungsprozesses so früh wie möglich erkannt werden. Denn je früher ein defektes Bauteil im gesamten Herstel- lungsprozess erkannt wurde, desto weniger Ressourcen werden unnötigerweise für dessen Fertigstellung aufgewendet. Dies verringert letztendlich die Kosten pro Bauteil und fördert so die Akzeptanz im industriellen Anwendungsbereich.
Ein häufig anzutreffendes Herstellungsverfahren ist die Herstellung eines Faserverbundbauteils in einem Autoklaven. Unter Beaufschlagung von Druck (bis zu 10 bar) und Temperatur (mehr als 200 °C) wird das aus Fasermaterial und Matrixsystem bestehende Bauteil ausgehärtet, so dass die Fasern zusammen mit dem Matrixmaterial eine integrale Verbindung eingehen. Da der Autoklavenprozess einen wichtigen Schritt im gesamten Herstellungsprozess darstellt liegt ein großes Augenmerk auf der Überwachung der einzelnen Parameter dieses Herstellungsschrittes.
Ein wichtiger Parameter hierbei ist die Ermittlung der Bauteildicke während des Aushärtungsprozesses, da diese Rückschlüsse auf die Qualität des Herstellungsprozesses zulässt. Die Kompaktierung der mit dem Matrixmaterial getränkten Faserhalbzeuge beziehungsweise Fasern erfolgt während des Aushärtungsprozesses für gewöhnlich durch die Nutzung von Differenzdruck. Dazu wird ein Vakuumaufbau erstellt, dass durch eine Kunststofffolie realisiert wird, die an ihren Seiten hermetisch in die Formen eingebunden wird. Durch die Form und die Folie wird damit ein hermetisch abgeschlossener Raum gebildet, in den das Faserhalbzeug eingeschlossen ist. Durch Absaugen des Mediums innerhalb des hermetisch geschlossenen Raums wird ein relativer Überdruck außerhalb des Vakuumaufbaus erzielt, wodurch der Verbund aus Fasern und Matrix während der Aushärtung verpresst werden kann. Der Aufbau dieses Vakuumaufbaus ist sehr zeitaufwändig, technisch sehr anspruchsvoll und für die Fertigung des Bauteils von enormen Interesse.
Mit Hilfe von Ultraschallsensoren, bei dem ein Impuls auf das zu messende Bauteil übertragen und der Echoimpuls im Bauteil erfasst wird, kann unter Kenntnis der Schallgeschwindigkeit die Dicke des Bauteils lokal ermittelt werden.
Die Integration der Ultraschallsensoren in den Vakuumaufbau ist jedoch mit Nachteilen verbunden. So muss die Kunststofffolie mit einer Öffnung versehen werden, was potentielle Leckagestellen bildet und im allgemeinen vermieden werden sollte, da hieraus ein Ausschuss des Bauteils resultieren könnte. Weiterhin macht diese Art von Integration den Vakuumaufbau noch zeitaufwändiger und komplexer als sie ohnehin schon sind.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese Art der Dickenmessung nur unzureichende Ergebnisse liefert, da die Schallgeschwindigkeit eine von der Zeit abhängige Größe darstellt. Denn das Matrixmaterial verändert während des Aushärtungsprozesses seinen physikalisch bedingten Parameter der Schallgeschwindigkeit. Dies führt letztlich zu fehlerhaften Berechnungen.
Im Umkehrschluss ist aber auch die Bauteildicke über die Zeit des Aushärtungsprozesses nicht konstant, da es aufgrund der chemischen Reaktion des Matrixmaterials während der Aushärtung zu einer Materialveränderung kommt, die sich in einer Veränderung der Bauteildicke niederschlägt. Um beispielsweise die Schallgeschwindigkeit bestimmen zu können, wird die Bauteildicke über die Zeit als konstant angenommen. Durch diese Vereinfachung wird jedoch ein Fehler in Kauf genommen, der letztendlich nicht mehr zu exakten Ergebnissen führt.
Darüber hinaus unterliegen einige Bauteile strengen Auflagen hinsichtlich ihrer Oberflächenqualität. Abdrücke jeglicher Art führen zum Ausschuss eines Bauteils. Bei den hohen Drücken im Autoklaven (bis zu 10 bar) kann es bei der Anordnung eines Ultraschallsensors an der Oberfläche des Bauteils zu Abdrücken kommen, die zum Ausschuss des Bauteils führen. Die Praxis hat gezeigt, dass auch dann, wenn kein direkter Kontakt zum Bauteil besteht, beispielsweise wenn der Ultraschallsensor auf einer Trennfolie platziert wird, die Gefahr der Beschädigung der Oberfläche des Bauteils besteht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit der die Bauteildicke während des Aushärtungsprozesses im Autoklaven qualitätssicher und exakt bestimmt werden kann, ohne dass die Gefahr von Beschädigungen des Bauteils besteht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
Demnach wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zunächst ein Autoklav sowie mindestens ein Laser-Abstand-Sensor bereitgestellt werden, wobei der mindestens eine Laser-Abstand-Sensor in Richtung eines in den Autoklaven vorgesehenen Werkzeuges ausgerichtet ist. Ein Laser- Abstand-Sensor ist dabei ein Abstandsensor, der einen Laserstrahl aussendet, der von einer Gegenstelle reflektiert wird, wobei der reflektierte Strahl von dem Abstandsensor erfasst und durch Ermittlung der Laufzeit dann die Entfernung zwischen Laser-Abstand-Sensor und Gegenstelle ermittelt wird. Das Messprinzip eines Laser-Abstand-Sensors beruht somit auf der Laufzeitmessung eines ausgesendeten Laserstrahls.
Um die Bauteildicke des Faserverbundbauteils während der Aushärtung in dem Autoklaven ermitteln zu können, wird zunächst eine Referenzmessung mit den mindestens einen Laser-Abstand-Sensor durchgeführt, um den Abstand zwischen dem Laser-Abstand-Sensor und dem in dem Au- toklaven eingebrachten Werkzeug zu ermitteln. Als Ergebnis erhält man den Referenzabstand zwischen dem Laser-Abstand-Sensor und dem Werkzeug ohne das Bauteil.
Nachdem nun das herzustellende Faserverbundbauteil auf das Werkzeug gelegt beziehungsweise in das Werkzeug eingebracht und anschließend in den Autoklaven verfahren wurde, wird der Autoklaven- Herstellungsprozess gestartet. Während des Autoklaven- Aushärtungsprozesses wird nun eine Onlinemessung durchgeführt, um den Abstand zwischen dem Laser-Abstand-Sensor und dem auf dem Werkzeug liegenden Bauteil als Bauteilabstand zu ermitteln. Mit Hilfe dieses Bauteilabstandes, das heißt den mit dem Laser-Abstand-Sensor er- fassten Abstand zwischen Laser-Abstand-Sensor und Faserverbundbauteil im Autoklaven und der zuvor durchgeführten Referenzmessung und des daraus ermittelten Referenzabstandes zwischen Laser-Abstand- Sensor und Werkzeug lässt sich nun die Bauteildicke des Faserverbundbauteils kontinuierlich während des Aushärtungsprozesses ermitteln. Dies kann beispielsweise anhand der folgenden Formel berechnet werden:
Bauteildicke = AReferenz . ABauteii
Mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens wird es somit möglich, die Bauteildicke prozesssicher während des Aushärtungsprozesses innerhalb des Autoklaven hochgenau bestimmen zu können, ohne dabei auf fehlerbedingte Verfahren wie das Ultraschallverfahren zurückgreifen zu müssen. Die Erfinder haben dabei erkannt, dass trotz des abgeschlossenen Autoklavenprozesses eine Dickenmessung mit Hilfe eines Laser-Abstand-Sensors hinreichend sicher und genau möglich ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Laser- Abstand-Sensor außerhalb des Autoklaven so angeordnet, dass der Laser-Abstand-Sensor durch ein in dem Autoklaven vorgesehenes Schau- glas die Abstandsmessung durchführen kann. Derartige Schaugläser sind an den Autoklaven zur Inaugenscheinnahme des Innenraumes des Autoklaven vorgesehen. An diesen Schaugläsern kann nun außen der oder die Laser-Abstand-Sensoren angeordnet werden, so dass eine Abstandsmessung durch die Schaugläser durchgeführt wird. Dabei wird der Laserstrahl von dem Laser-Abstand-Sensor durch die Schaugläser in Richtung Bauteil ausgesendet und von diesen zurück durch das Schauglas reflektiert.
Vorteilhafterweise wird dabei mindestens ein Laser-Abstand-Sensor an jedem Schauglas angeordnet. So ist es vorteilhaft, wenn bei einem Autoklaven, der auf beiden Seiten jeweils fünf Schaugläser aufweist, an einer Seite an jedem dieser fünf Schaugläser mindestens ein Laser-Abstand- Sensor angeordnet wird, so dass auf diese Weise die gesamte Beschickungslänge des Autoklaven durch diese Schaugläser observiert werden kann.
Dabei haben die Erfinder erkannt, dass eine Abstandsmessung mit Hilfe eines Laser-Abstand-Sensors auch durch die dicken Schaugläser, die in der Regel hohe Drücke und Temperaturen aushalten müssen, sicher und genau durchführbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Laser- Abstand-Sensoren auch im Inneren des Autoklaven angeordnet werden, wobei in diesem Fall die Laser-Abstand-Sensoren in Druckbehältern angeordnet werden, um die hohen Drücke und Temperaturen im Inneren des Autoklaven standhalten zu können. Denkbar ist hierbei, dass die Druckbehälter fluidgekühlt werden.
Zweckmäßigerweise wird die Bauteildicke weiterhin auch in Abhängigkeit einer bekannten Foliendicke und/oder einer bekannten Dicke eines Ab- reißgewebes berechnet. So weist der Vakuumaufbau im Inneren des Au- toklaven, in dem sich letztendlich das Faserverbundbauteil befindet, neben einer abdichtenden Vakuumfolie auch ein Abreißgewebe auf, über das nicht selten auch die Harzinjektion erfolgt. Unter Kenntnis der Dicke der Folie und des Abreißgewebes lässt sich nunmehr hochgenau die Dicke des Bauteils während des gesamten Aushärtungsprozesses ermitteln.
Es ist nunmehr ganz besonders vorteilhaft, wenn anhand der ermittelten Bauteildicke ein aktiver Eingriff in die Druckregelung mittels des Autoklavrechners derart erfolgt, dass eine vorgegebene Bauteildicke eingestellt wird. So lässt sich beispielsweise der Autoklavdruck anpassen, wobei bei Erhöhung des Autoklavdrucks das Fasermaterial des Faserverbundbauteils stärker komprimiert wird, was zu einer Verringerung der Bauteildicke führt. Demgegenüber lässt sich auch der Autoklavdruck verringern, wodurch die Kompaktierung reduziert und die Bauteildicke erhöht wird. Gleiches gilt auch für die Druckregelung bezüglich eines Vakuumaufbaus im Inneren des Autoklaven, wodurch ebenfalls Einfluss auf die Bauteildicke aufgrund der Einstellung des Differenzdruckes genommen werden kann.
Des Weiteren ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn zur weitergehenden Überwachung mindestens ein Ultraschallsensor zum Überwachen von Ultraschallsignalen in das Faserverbundbauteil während des Autoklaven- Aushärtungsprozesses auf das Faserverbundbauteil appliziert wird, wobei während des Autoklaven-Aushärtungsprozesses die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals in dem Faserverbundbauteil in Abhängigkeit von der Laufzeit des Ultraschallsignals und der ermittelten Bauteildicke berechnet wird.
So lässt sich beispielsweise die Bauteildicke mit Hilfe eines Ultraschallsensors nach der folgenden Gleichung berechnen:
S Bauteildicke = Vschallgeschwindigkeit■ tLaufzeit Ultraschallsignal Ist nun die Laufzeit des Ultraschallsignals sowie die Bauteildicke aufgrund des Messverfahrens der vorliegenden Erfindung bekannt, so lässt sich durch Umstellung der obigen Gleichung sicher und exakt die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Bauteils ermitteln, und zwar nach folgender Gleichung:
V Schallgeschwindigkeit = Sßauteildicke/tLaufzeit Ultraschallsignal
Aus der Ermittlung der Schallgeschwindigkeit im Bauteil lässt sich darüber hinaus Rückschlüsse auf den Aushärtungsgrad ableiten. Denn durch die chemische Veränderung des Matrixmaterials während der Aushärtung verändert sich auch die physikalische Eigenschaft des Materials, insbesondere im Hinblick auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallsignalen, so dass durch eine Veränderung der Ultraschallsignale im Bauteil auf den Aushärtungsgrad geschlossen werden kann. Hierdurch lässt sich letztendlich der gesamte Autoklav-Herstellungsprozess qualitätssicher überwachen.
Darüber hinaus lässt sich in Abhängigkeit von der ermittelten Bauteildicke auch der Faservolumengehalt des Faserverbundbauteils während des Autoklaven-Aushärtungsprozesses bestimmen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn strukturkritische Bauteile hergestellt werden sollen, da ein zu hoher Fasergehalt zu einer Beeinträchtigung der Bauteilstabilität senkrecht zu der Faserrichtung führt. Aufgrund der ermittelten Bauteildicke und beispielsweise unter Kenntnis der Anzahl der Faserlagen lässt sich somit ableiten, wie hoch der Faservolumengehalt im Bereich der Onlinemessung ist. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 a, 1 b - schematische Darstellung des Messprinzips der Online-Dickenmessung;
Figur 2 - schematische Darstellung des Messaufbaus mit einem
zusätzlichen Ultraschallsensor.
Figur 1 a, 1 b zeigen schematisch das Messprinzip der Online- Dickenmessung. Figur 1 a zeigt dabei die Durchführung der Referenzmessung, während Figur 1 b die Onlinemessung während des Autoklaven- Herstellungsprozesses zeigt.
In Figur 1 a wird ein Autoklav 1 gezeigt, in dem sich ein Werkzeug 2 befindet, auf das später einmal das herzustellende Faserverbundbauteil abgelegt werden soll. In dem Autoklaven 1 befinden sich darüber hinaus Schaugläser 3, die während des Autoklaven-Herstellungsprozesses einen Einblick in den Innenraum des Autoklaven 1 ermöglichen.
An einem der Schaugläser 3 ist außerhalb des Autoklaven 1 ein Laser- Abstand-Sensor 4 angeordnet, der so ausgerichtet ist, dass der Laserstrahl 5, der von dem Laser-Abstand-Sensor 4 ausgesendet wird, auf das Werkzeug 2 trifft, und zwar vorzugsweise in dem Bereich, in dem auch das spätere Bauteil auf dem Werkzeug aufliegt.
Gemäß dem Aufbau der Figur 1 a wird nun eine Referenzmessung durchgeführt, bei dem der Abstand zwischen dem Laser-Abstand-Sensor 4 und dem Werkzeug 2 ermittelt wird. Dieser Referenzabstand zwischen Laser- Abstand-Sensor 4 und Werkzeug 2 ist dabei die Basis für die Online- Dickenmessung während des Autoklaven-Herstellungsprozesses.
Dieser Aufbau der Online-Dickenmessung ist in Figur 1 nicht gezeigt. Er unterscheidet sich nun dahingehend, dass nunmehr ein Faserverbundbauteil 6 auf dem Werkzeug 2 angeordnet ist, so dass mit Hilfe des Laser- Abstand-Sensors 4 und dem injizierenden Laserstrahl 5 die Entfernung zwischen dem Laser-Abstand-Sensor 4 und dem Bauteil 6 ermittelt werden kann. Dieser Bauteilabstand variiert nun während des Autoklaven- Herstellungsprozesses, da sich auch die Bauteildicke verändert. Unter Kenntnis des Referenzabstandes kann nun auf die exakte Bauteildicke des Faserverbundbauteils 6 geschlossen werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist in Figur 2 gezeigt, wobei der Aufbau der Figur 2 im Wesentlichen mit dem Aufbau der Figuren 1 a, 1 b übereinstimmt. Allerdings ist im Ausführungsbeispiel der Figur 2 an dem Werkzeug 2 des Weiteren ein Ultraschallsensor 7 vorgesehen, der Ultraschallsignale in das Bauteil 6 aussenden kann. Dies erfolgt beispielsweise derart, dass die Ultraschallsignale des Ultraschallsensors 7 zunächst in das Werkzeug 2 und dann in das Bauteil 6 übertragen werden. Gleichzeitig wird die Bauteildicke des Faserverbundbauteils kontinuierlich nach dem zuvor beschriebenen Messprinzip ermittelt, wobei unter Kenntnis der Laufzeit der Ultraschallsignale sowie unter Kenntnis der aktuellen Bauteildicke auf die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Bauteils geschlossen werden kann. Diese lässt dann Rückschlüsse auf den Aushärtungsgrade des Bauteils 6 zu. Bezuqszeichenliste
1 Autoklav
2 Werkzeug
3 Schaugläser
4 Laser-Abstand-Sensor
5 Laserstrahl
6 Faserverbundbauteil
7 Ultraschallsensor
8 Recheneinheit

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zum Ermitteln der Bauteildicke eines Faserverbundbauteils (6) während der Aushärtung des Faserverbundbauteils (6) in einem Autoklaven (1 ), gekennzeichnet durch
a) Bereitstellen eines Autoklaven (1 ) und mindestens eines Laser- Abstand-Sensors (4), der in Richtung eines in dem Autoklaven (1 ) vorgesehenen Werkzeuges (2) ausgerichtet ist,
b) Durchführen einer Referenzmessung mit dem mindestens einen Laser-Abstand-Sensor (4) zum Ermitteln eines Referenzabstandes (AReferenz) zwischen dem Laser-Abstand-Sensor (4) und dem in dem Autoklaven (1 ) eingebrachten Werkzeug (2),
c) Durchführen einer Onlinemessung während des Autoklaven- Aushärtungsprozesses mit dem mindestens einen Laser- Abstand-Sensor (4) zum Ermitteln eines Bauteilabstandes (ABau- teü) zwischen dem Laser-Abstand-Sensor (4) und dem in das Werkzeug (2) eingebrachten Faserverbundbauteil (6) und d) Ermitteln der Bauteildicke des Faserverbundbauteils (6) in Abhängigkeit von dem Referenzabstand (AReferenz) und dem Bauteilabstand (Aßauteii) durch eine Recheneinheit (8).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Laser-Abstand-Sensor (4) außerhalb des Autoklaven (1 ) so angeordnet wird, dass der Laser-Abstand-Sensor (4) durch ein in dem Autoklaven (1 ) vorgesehenes Schauglas (3) die Abstandsmessungen durchführen kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Laser-Abstand-Sensoren (4), dass mindestens ein Laser-Abstand-Sensor (4) an jedem Schauglas (3) des Autoklaven (1 ) und/oder dass mindestens ein Laser-Abstand-Sensor (4) im Inneren des Autoklaven (1 ) mittels eines Druckbehälters bereitge- stellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteildicke weiterhin in Abhängigkeit von einer bekannten Foliendicke und/oder einer bekannten Abreißgewebedicke durch die Recheneinheit (8) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Bauteildicke durch aktiven Eingriff in die Druckregelung mittels des Autoklavrechners in Abhängigkeit von der ermittelten Bauteildicke eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ultraschallsensor (7) zum Aussenden von Ultraschallsignalen in das Faserverbundbauteils (6) während des Autoklaven-Aushärtungsprozesses bereitgestellt wird, wobei während des Autoklaven-Aushärtungsprozesses die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals in dem Faserverbundbauteil in Abhängigkeit von der Laufzeit des Ultraschallsignals und der ermittelten Bauteildicke mittels der Recheneinheit (8) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aushärtungsgrad des Faserverbundbauteils (6) während des Autoklaven-Aushärtungsprozesses in Abhängigkeit von der berechneten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumengehalt des Faserverbundbauteils (6) während des Autoklaven-Aushärtungsprozesses in Abhängigkeit von der ermittelten Bauteildicke des Faserverbundbau- teils bestimmt wird.
Vorrichtung zum Ermitteln der Bauteildicke eines Faserverbundbauteils (6) während der Aushärtung des Faserverbundbauteils (6) in einem Autoklaven (1 ) gekennzeichnet durch mindestens einen Laser-Abstand-Sensor (4), der in Richtung eines in dem Autoklaven (1 ) vorgesehenen Werkzeuges (2) ausgerichtet ist und zum Ermitteln eines Referenzabstandes (AReferenz) zwischen dem Laser- Abstand-Sensor (4) und dem Werkzeug (2) sowie zum Ermitteln eines Bauteilabstandes (ABauteii) zwischen dem Laser-Abstand-Sensor (4) und einem in das Werkzeug (2) eingebrachten Faserverbundbauteils (6) während des Autoklaven-Aushärtungsprozess eingerichtet ist, und eine Recheneinheit (8), die zum Ermitteln der Bauteildicke des Faserverbundbauteils (6) in Abhängigkeit von dem ermittelten Referenzabstand (AReferenz) und dem ermittelten Bauteilabstandes (Aßauteii) eingerichtet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Laser-Abstand-Sensor (4) außerhalb des Autokla- ven vor eine Schauglas (3) des Autoklaven (1 ) so angeordnet ist, dass der Laser-Abstand-Sensor (4) durch das Schauglas (3) hindurch die Abstandsmessungen durchführen kann.
1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Laser-Abstand-Sensoren (4), dass mindestens ein Laser-Abstand-Sensor (4) an jedem Schauglas (3) des Autoklaven (1 ) und/oder dass mindestens ein Laser-Abstand-Sensor (4) im Inneren des Autoklaven (1 ) mittels eines Druckbehälters vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (8) zum Ermitteln der Bauteildicke weiterhin in Abhängigkeit von einer bekannten Foliendicke und/oder einer bekannten Abreißgewebedicke eingerichtet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein zur Steuerung des Autoklaven vorgesehener Autoklavrechner zur Einstellung einer vorgegebenen Bauteildicke durch aktiven Eingriff in die Druckregelung in Abhängigkeit von der ermittelten Bauteildicke eingerichtet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadruch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ultraschallsensor (7) zum Aussenden von Ultraschallsignalen in das Faserverbundbauteils (6) während des Autoklaven-Aushärtungsprozesses vorgesehen ist, wobei die Recheneinheit (8) zum Berechnen der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalsignals in dem Faserverbundbauteil in Abhängigkeit von der Laufzeit des Ultraschallsignals und der ermittelten Bauteildicke eingerichtet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (8) zum Bestimmen des Aushärtungsgrades des Faserverbundbauteils während des Autoklaven-Aushärtungsprozesses in Abhängigkeit von der berechneten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals eingerichtet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (8) zum Bestimmen des Faservolumengehaltes des Faserverbundbauteils während des Autoklaven- Aushärtungsprozesses in Abhängigkeit von der ermittelten Bauteildicke des Faserverbundbauteils eingerichtet ist.
PCT/EP2014/050241 2013-01-08 2014-01-08 Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der bauteildicke eines faserverbundbauteils WO2014108444A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013000091.2 2013-01-08
DE102013000091 2013-01-08
DE102013108568.7 2013-08-08
DE102013108568.7A DE102013108568B4 (de) 2013-01-08 2013-08-08 Ermittlung der Bauteildicke eines Faserverbundbauteils

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014108444A1 true WO2014108444A1 (de) 2014-07-17

Family

ID=51019175

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/050241 WO2014108444A1 (de) 2013-01-08 2014-01-08 Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der bauteildicke eines faserverbundbauteils

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102013108568B4 (de)
WO (1) WO2014108444A1 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016044415A1 (en) * 2014-09-19 2016-03-24 Learjet Inc. Apparatus and method for generating thickness characteristic information about an uncured prepreg material
DE102019128530A1 (de) * 2019-10-22 2021-04-22 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Bauteildicke
DE102020109689A1 (de) 2020-04-07 2021-10-07 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren von Legefehlern

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4515545A (en) * 1981-07-09 1985-05-07 Applied Polymer Technology, Inc. Control system for processing composite material

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6480271B1 (en) * 2001-01-08 2002-11-12 The Boeing Company Traversing laser locating system
ES2628600T3 (es) * 2002-10-09 2017-08-03 Toray Industries, Inc. Método de moldeo de RTM
US6901673B1 (en) * 2004-05-20 2005-06-07 The Boeing Company Tie-in device for the correlation of coordinate systems
FR2920336B1 (fr) * 2007-09-05 2012-09-28 Eads Europ Aeronautic Defence Methode et dispositif d'analyse des procedes de fabrication de pieces en materiaux composites, par infusion ou injection, et de caracterisation de ces materiaux composites.

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4515545A (en) * 1981-07-09 1985-05-07 Applied Polymer Technology, Inc. Control system for processing composite material

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013108568B4 (de) 2016-08-04
DE102013108568A1 (de) 2014-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012105922A1 (de) Radiometrische Messanordnung und Verfahren zur Detektion von Ansatzbildung in einer radiometrischen Messanordnung
EP3736557B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum dreidimensionalen erfassen einer fasermaterialoberfläche
DE102013108568B4 (de) Ermittlung der Bauteildicke eines Faserverbundbauteils
DE102010035958A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie Flugzeugstrukturbauteil
DE102009027807A1 (de) Detektionsverfahren und Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Kernschäden und Ablösungen in Sandwichstrukturen
EP3736556A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum erkennen von oberflächenfehlern
DE102013100092A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Imprägnierungsprüfung
DE102010012342A1 (de) Versteifungsbauteil und Verfahren sowie Kammwerkzeug
EP3266597B1 (de) Verfahren zur herstellung eines faserverbundbauteils
DE102014103219B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Faserorientierung
DE102016112263B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils
DE102014108639A1 (de) Verformungsanalyse
EP3258230A1 (de) Sensorhaut mit temperatursensorik
DE102013113063B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils
DE102015122376B4 (de) Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils
EP3753720A1 (de) Verfahren zum dreidimensionalen erfassen von fasermaterial mittels terahertzstrahlung sowie faserlegeanlage hierzu
DE102020102800B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Applikationseigenschaft und Verfahren zur Herstellung einer Faserpreform
DE102017120272B4 (de) Verfahren zum Detektieren einer Leckage an einem Vakuumaufbau und Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils
AT523420B1 (de) Nicht-invasive druckmessung
DE102019128530A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Bauteildicke
EP2788571B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum versiegeln von isolierglasrohlingen
AT521672B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Vergleichskörpers und Prüfungsverfahren
DE102017111790B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von Fehlstellen in Fasergelegen
DE102015114492B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Formkörpern als Komponenten für Faserverbundbauteile
DE102016202944A1 (de) Prüfung von geshimmten Strukturen mittels Ultraschall

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14701150

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14701150

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1