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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, bei dem ein Fasergelege in einer Formkavität mit flüssigem Harz infiltriert, überschüssiges Harz von dem Fasergelege abgedrückt und das das Fasergelege in der Formkavität einbettende Harz anschließend ausgehärtet wird. Bei diesem Verfahren geht es insbesondere um ein solches, dass auch als Infusionsverfahren oder Liquid Composite Moulding (LCM) bezeichnet wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung für die Herstellung von Faserverbundbauteilen in einem solchen Infusionsverfahren, mit einem eine Formkavität definierenden Formwerkzeug, das eine Harzzuführung für flüssiges Harz zu der Formkavität aufweist und zur Anordnung in einem Autoklaven vorgesehen ist.
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STAND DER TECHNIK
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In dem eigentlichen Infusionsschritt von Infusionsverfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, in dem ein Fasergelege in einer Formkavität mit flüssigem Harz infiltriert wird, wächst die Laminatdicke durch das injizierte Harz an. Dadurch sinkt der Faservolumengehalt, damit eine vollständige Infiltrierung des Fasergeleges erreicht wird, zunächst sogar bis über ein gewünschtes Maß hinaus ab, bis im nächsten Verfahrensschritt durch Absenken des Drucks in einer Harzzuführung durch den von außen auf die Formkavität wirksamen Druck überschüssiges Harz wieder von dem Fasergelege abgedrückt wird. Anschließend wird die Harzzufuhr abgeklemmt und das das Fasergelege einbettende Harz wird zur Ausbildung des gewünschten Faserverbundbauteils ausgehärtet. Das Aushärten des Harzes erfolgt dabei durch Temperaturerhöhung in einem Autoklaven, der auch zum Aufbringen des Drucks auf die Formkavität verwendet wird. Die Formkavität wird in der Regel nur einseitig durch eine formsteife Formhälfte und auf der anderen Seite durch eine Vakuumfolie begrenzt und nach dem Einbringen des Fasergeleges, vor dem Infiltrieren des Fasergeleges mit dem Harz evakuiert. Bei den sich Anschließenden Schritten des Infiltrierens und Abdrückens wird ein vorgegebener Zyklus hinsichtlich der Dauer der einzelnen Schritte, der dabei eingestellten Drücke und der injizierten Harzmengen abgefahren. Dennoch treten bei den Verfahren aufgrund zahlreicher weiterer Einflussparameter unterschiedliche Dicken der fertigen Faserverbundbauteile auf.
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Aus Mc Hugh, Jarlath: Ultrasound Technique for the Dynamic Mechanical Analysis of Polymers, BAM-Dissertationsreihe, Berlin, 2008, ist es bekannt, die Laufzeit von Ultraschallsignalen durch ein Faserverbundbauteil zu messen, um hieraus Rückschlüsse auf den Aushärtegrad der Harzmatrix des Faserverbundbauteils zu treffen.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur und eine Vorrichtung für die Herstellung von Faserverbundbauteilen aufzuzeigen, mit denen die Variationen bei der Dicke der hergestellten Faserverbundbauteile deutlich reduziert werden können.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem neuen Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen werden während des Infiltrierens des Fasergeleges in der Formkavität mit dem flüssigen Harz und während des Abdrückens des überschüssigen Harzes von dem Fasergelege Laufzeiten eines Ultraschallsignals durch die Formkavität gemessen und mit Sollwerten verglichen. Die Laufzeiten des Ultraschallsignals durch die Formkavität sind dabei von verschiedenen Faktoren abhängig, zu denen der Aushärtegrad, die Temperatur und die Art des Harzes gehören. Zu diesen Faktoren gehört aber auch die sich mit der Menge des infiltrierten. Harzes ändernde Laminatdicke. Da der Aushärtegrad, die Temperatur und Art des Harzes während eines bestimmten Zeitpunkts eines konkreten Infusionsverfahrens im Wesentlichen gleich sein sollten, lässt damit der Vergleich einer aktuell gemessenen Laufzeit des Ultraschallsignals mit einem einem ordnungsgemäßen Ablauf des Infusionsverfahrens entsprechenden Sollwert den Rückschluss darauf zu, ob aktuell die vorgesehene Laminatdicke erreicht ist und damit die gewünschte Dicke des Faserverbundbauteils erreicht wird oder nicht. Entsprechend kann dann ggf. auf das Verfahren derart eingewirkt werden, dass die gewünschte Dicke des Faserverbundbauteils doch noch erreicht wird, und das Erreichen der gewünschten Dicke kann dabei direkt durch weiteres Messen von Laufzeiten des Ultraschallsignals kontrolliert werden. Einer eingehenden Analyse, woraus sich der Wert der gemessenen Laufzeiten im Einzelfall ergibt, d. h. eine Bestimmung der Größe der verschiedenen Einflussfaktoren auf die Laufzeiten, bedarf es dabei nicht. Entscheidend ist es vielmehr, ob die Laufzeit des Ultraschallsignals zu einem bestimmten Zeitpunkt des Infusionsverfahrens auf die zu diesem Zeitpunkt gewünschte oder eine zu große oder zu kleine Laminatdicke hinweist. Wenn die Laminatdicke zu klein ist, kann während des Infiltrierens ein externer Harzdruck in einer Harzzuführung erhöht werden, um mehr Harz einzubringen. Umgekehrt kann bei einer zu großen Laufzeit dieser externe Harzdruck gesenkt werden. Dies ist auch noch während des Abdrückens des überschüssigen Harzes möglich.
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Die Sollwerte, mit denen die gemessenen Laufzeiten des Ultraschallsignals durch die Formkavität verglichen werden, um den externen Harzdruck während des Infusionsverfahrens zu steuern, werden sinnvollerweise während eines Musterverfahrens gemessen, das die gewünschte Dicke des Faserverbundbauteils bei optimaler Qualität des Faserverbundbauteils ergeben hat.
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Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Formkavität typischerweise zwischen einer formsteifen Formhälfte und einer verformbaren Vakuumfolie ausgebildet. Hierdurch ergeben sich Besonderheiten für die Messung der Laufzeiten des Ultraschallsignals durch die Formkavität. Grundsätzlich können die Laufzeiten des Ultraschallsignals durch die Formkavität entweder zwischen einem Ultraschallsensor auf der einen Seite der Formkavität und einem Ultraschallempfänger auf der anderen Seite der Formkavität oder zwischen einem Ultraschallsender und -empfänger auf der einen Seite der Formkavität und einem Ultraschallreflektor auf der anderen Seite der Formkavität gemessen werden. Als solcher Ultraschellreflektor kommt beispielsweise die formsteife Formhälfte des Formwerkzeugs in Frage, während ein solcher Ultraschallreflektor auf Seiten der verfahrbaren Vakuumfolie zusätzlich angebracht werden müsste. Es ist aber auch möglich, das Ultraschallsignal mit einem Ultraschallsender durch die formsteife Formhälfte in die Formkavität einzukoppeln und einen Empfänger auf der anderen Seite der Formkavität im Bereich der Vakuumfolie, beispielsweise zwischen einer inneren und äußeren Lage der Vakuumfolie, anzuordnen. Ein so über die Vakuumfolie wirkender Differenzdruck drückt diesen Ultraschallsender in vorteilhafter Weise an das in der Formkavität befindliche, mit Harz infiltrierte Fasergelege und auch dieses Fasergelege an die formsteife Formhälfte an, so dass sich eine gute Ankopplung und entsprechend sehr günstige Verhältnisse für die Messung von Laufzeiten des Ultraschallsignals ergeben. Alternativ kann der Ultraschallsender auf der Seite der Formkavität angeordnet werden, die durch die Vakuumfolie definiert wird, während der Ultraschallempfänger in die formsteife Formhälfte des Formwerkzeugs integriert oder an diese angekoppelt ist.
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Bei der neuen Vorrichtung ist an dem Formwerkzeug eine Ultraschallmessstrecke ausgebildet, mit der Laufzeiten eines Ultraschallsignals durch die Formkavität messbar sind, während ein Fasergelege in der Formkavität mit flüssigem Harz infiltriert und überschüssiges Harz aus dem Fasergelege abgedrückt wird. Eine Steuerung kann dabei die Laufzeiten des Ultraschallsignals mit Sollwerten vergleichen und einen Harzdruck in der Harzzuführung während des Infiltrierens und Abdrückens zur Anpassung der Laufzeiten des Ultraschallsignals an die Sollwerte einstellen. Wen die Ultraschallsender und -empfänger der neuen Vorrichtung bei geschlossener Formkavität von dem Formwerkzeug abnehmbar sind, können sie vor dem Aushärten des das Fasergelege einbettenden Harzes in der Formkavität von dem Formwerkzeug abgenommen werden. Auf diese Weise werden sie den zum Aushärten eingesetzten erhöhten Temperaturen nicht ausgesetzt. Sinnvoll ist diese Vorgehensweise aber nur dann, wenn zum Entfernen der Ultraschallsender und -empfänger ein in der Umgebung des Formwerkzeugs aufgebrachter Überdruck nicht noch einmal wieder abgesenkt werden muss, wie es bei vielen derzeitigen Infusionsverfahren der Fall wäre.
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Besonders bevorzugt ist es bei der neuen Vorrichtung, wenn ein Ultraschallkoppelkörper, der entweder als Vorlaufkörper für einen Ultraschallsender oder als Ultraschallreflektor oder als Vorlaufkörper eines Ultraschallempfängers dient, so in die Vakuumfolie des Formwerkzeugs integriert ist, dass ein Differenzdruck über der Vakuumfolie den Ultraschallkoppelkörper zu der Formkavität hin beaufschlagt. Hierdurch ergibt sich die Ausnutzung des Differenzdrucks für eine gute Ankopplung des Ultraschallkoppelkörpers an das mit Harz infiltrierte Laminat, durch das die Laufzeiten des Ultraschallsignals von eigentlichem Interesse sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
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1 skizziert einen Schnitt durch ein Formwerkzeug zur Herstellung von Faserverbundbauteilen im Infusionsverfahren, an dem eine Ultraschallmessstrecke in einer ersten Ausführungsform ausgebildet ist.
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2 skizziert in einer 1 entsprechenden Ansicht eine andere Ausführungsform des Formwerkzeugs zur Herstellung von Faserverbundbauteilen im Infusionsverfahren mit der Ultraschallmessstrecke in einer zweiten Ausführungsform; und
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3 ist eine Auftragung der Laufzeit eines Ultraschallsignals über der Prozesszeit während verschiedener Phasen des Infusionsverfahrens.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Das in 1 skizzierte Formwerkzeug 1 bildet eine Formkavität 2 zwischen einer formsteifen Formhälfte 3 und einer mehrlagigen Vakuumfolie 4 aus. In der Formkavität 2 ist ein Fasergelege 5 angeordnet, das nach Evakuieren der Formkavität 2, was durch einen Pfeil 6 angedeutet ist, mit Harz 7 von einer Harzzufuhr 8 infiltriert wird. Dabei wird zunächst mehr Harz 7 injiziert, als eigentlich zur Ausbildung eines Formkörpers, bei dem das Fasergelege 5 in dem ausgehärteten Harz 7 eingebettet ist, erforderlich ist, um eine vollständige Einbettung des Fasergeleges 5 in dem Harz 7 sicherzustellen. Überschüssiges Harz 7 wird anschließend wieder abgedrückt, wozu der Differenzdruck zwischen der Harzzufuhr 8 und dem über die Vakuumfolie 7 auf die Formkavität 2 einwirkenden Druck in der Umgebung 9 des Formwerkzeugs 1 eingestellt wird.
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Um den sich so einstellenden Verlauf der Dicke des sich aus dem mit Harz 7 infiltrierten Fasergelege 5 bildenden Laminats zu überwachen, ist eine Ultraschallmessstrecke 10 vorgesehen. Diese ist gemäß 1 aus einem Ultraschallsender und -empfänger 11 und einem Ultraschallankoppelkörper 12 ausgebildet, der als Vorlaufkörper für den Ultraschallsender und -empfänger 11 dient. Der Ultraschallsender und -empfänger 11 ist fest an den Ultraschallankoppelkörper 12 angeschraubt. Dieser liegt oberhalb einer unteren Lage 13 der Vakuumfolie 4, während eine obere Lage 14 der Vakuumfolie 4 von oben an ihn angedichtet ist. So wirkt der Differenzdruck zwischen der Umgebung 9 und der Formkavität 2 derart auf den Ankoppelkörper 12 ein, dass er diesen an das Fasergelege 5 bzw. das sich daraus durch Infiltrieren mit Harz 7 ausbildende Laminat anpresst. Hierdurch wird die Ankopplung des Ankoppelkörpers 12 an dieses Laminat sichergestellt. Ein von dem Ultraschallsender und -empfänger 11 ausgesandtes Ultraschallsignal 15 tritt durch den Ultraschallkoppelkörper 12 und die innere Lage 13 der Vakuumfolie 4 in das Laminat ein und wird hinter diesem durch die formsteife Formhälfte 3 reflektiert, so dass es denselben Weg zurückkehrt. Seine Laufzeit bis zurück zu dem Ultraschallsender und -empfänger 11 wird dabei zweimal durch das Laminat aus dem Fasergelege 5 und dem Harz 7 und damit auch durch dessen Dicke bestimmt.
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Der Aufbau der Ultraschallmessstrecke 10 gemäß 2 unterscheidet sich von demjenigen gemäß 1 dadurch, dass hier ein separater Ultraschallsender 16 auf der der Formkavität 2 abgekehrten Seite der formsteifen Formhälfte 3 vorgesehen ist. Entsprechend wirkt hier die formsteife Formhälfte 3 als Vorlaufkörper für das Ultraschallsignal 15, bevor dieses in das Laminat aus dem Fasergelege 5 und dem Harz 7 eintritt. Von dort gelangt dann das Ultraschallsignal 15 durch die innere Lage 13 der Vakuumfolie 4 und durch den Ultraschallkoppelkörper 12 zu einem an dem Ultraschallkoppelkörper 12 starr gelagerten separaten Ultraschallempfänger 17. Bei dieser Ultraschallmessstrecke 10 durchläuft das Ultraschallsignal 15 das Laminat nur ein mal. Seine Laufzeit wird aber grundsätzlich genauso durch die Dicke des Laminats beeinflusst wie bei der Ultraschallmessstrecke 10 gemäß 1.
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In 3 sind Schalllaufzeiten über der Prozesszeit eines Infusionsprozesses zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aufgetragen, wie sie mit der Ultraschallmessstrecke 10 gemäß 1 oder 2 aufgenommen sein könnten. Dabei entspricht die mittlere Kurve 18 dieser Schalllaufzeiten einem Mustervorgang, bei dem eine gewünschte Dicke des Faserverbundbauteils bei optimaler Qualität des Faserverbundbauteils erreicht wurde. Hiervon sind eine Obergrenze 19 und eine Untergrenze 20 der aktuellen Schalllaufzeiten abgeleitet, die zu jedem Zeitpunkt der Prozesszeit eingehalten werden sollten. Wenn dies nicht der Fall ist, so ist in den Infusionsprozess durch Ändern eines externen Harzdrucks bzw. einer den Harzfluss steuernden Druckdifferenz einzugreifen. Dieser Eingriff ist allerdings nur während des ersten Schritts 21 des Infiltrierens des Fasergeleges mit dem Harz und während des zweiten Schrittes des Abdrückens des überschüssigen Harzes von dem Fasergelege möglich. In dem nachfolgenden Schritt 23 ist die Formkavität mit dem infiltrierten Fasergelege von der Harzzufuhr abgeklemmt, und es erfolgt nur noch ein Aushärten des Harzes. Entsprechend erfolgt zum Ende des Schrittes 22 bereits die Festlegung der Dicke des späteren Faserverbundbauteils, und eine Messung der Laufzeiten des Ultraschallsignals während dieses letzten Schritts 23 kann nur noch der Überwachung der Aushärtung des Harzes dienen, wobei es sich um eine grundsätzlich bekannte Überwachungsmaßnahme handelt. Während des Schritts 21 wächst die Laminatdicke zunächst an, was durch einen schräg nach oben gerichteten Pfeil 24 angedeutet ist, während sie dann beim Abdrücken des überschüssigen Harzes im Schritt 22 wieder absinkt, was durch einen schräg nach unten gerichteten Pfeil 25 angedeutet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formwerkzeug
- 2
- Formkavität
- 3
- formsteife Formhälfte
- 4
- Vakuumfolie
- 5
- Fasergelege
- 6
- Pfeil
- 7
- Harz
- 8
- Harzzufuhr
- 9
- Umgebung
- 10
- Ultraschallmessstrecke
- 11
- Ultraschallsender und -empfänger
- 12
- Ultraschallkoppelkörper
- 13
- innere Lage
- 14
- äußere Lage
- 15
- Ultraschallsignal
- 16
- Ultraschallsender
- 17
- Ultraschallempfänger
- 18
- Kurve
- 19
- Obergrenze
- 20
- Untergrenze
- 21
- Schritt des Infiltrierens
- 22
- Schritt des Abdrückens
- 23
- Schritt des Aushärtens
- 24
- Pfeil
- 25
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Mc Hugh, Jarlath: Ultrasound Technique for the Dynamic Mechanical Analysis of Polymers, BAM-Dissertationsreihe, Berlin, 2008 [0003]
