-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Formteile mit den Schritten: Bereitstellen einer Form für das herzustellende Formteil, Auflegen einer Mehrzahl von Fasern auf die Form sowie Tränken der Fasern mit einem Matrixmaterial.
-
Faserverstärkte Bauteile setzen sich in allen Bereichen der Konstruktion und des täglichen Lebens durch. Sie weisen im Vergleich zu formidentischen Teilen ohne Faserverstärkung eine erheblich verbesserte Festigkeit auf. Andersherum ausgedrückt benötigt man zum Erreichen gleicher Festigkeitswerte mit konventionellen Werkstoffen deutlich größere Mengen an Werkstoff, sodass mit konventionellen Materialien gefertigte vergleichbare Teile ein erheblich höheres Gewicht aufweisen.
-
Entsprechend finden faserverstärkte Werkstoffe ihre Anwendung insbesondere in der Automobilindustrie, im Flugzeugbau sowie bei der Herstellung von Flügeln und Komponenten von Windkraftanlagen. Für diese Anwendungen werden primär faserverstärkte Kunststoffe verwendet. Allerdings finden sich faserverstärkte Werkstoffe beispielsweise auch als faserverstärkter Beton in der Bauindustrie.
-
Gemeinsam ist allen faserverstärkten Werkstoffen, dass eine Mehrzahl von verstärkenden Fasern in ein diese umgebendes Matrixmaterial eingebettet sind. Dabei sind die Fasern insbesondere Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Aramidfasern, Borfasern, Stahlfasern, Naturfasern und Nylonfasern.
-
Man unterscheidet zwischen faserverstärkten Materialien mit sogenannten Endlosfasern, die zumeist in Form von Gelegen und Geweben in die Matrix eingebettet sind und Materialien mit kurzen, isotropverteilten oder langen Fasern in der Matrix.
-
Bei der Wahl der Matrixmaterialien unterscheidet man zwei Gruppen, nämlich Matrixmaterialien aus Kunststoff und andere, beispielsweise Zement und Beton, Metalle, Keramiken sowie Kohlenstoff.
-
Bei faserverstärkten Materialien mit Endlosfasern werden Formteile aus diesen Materialien häufig dadurch hergestellt, dass zunächst eine Form für das herzustellende Formteil bereitgestellt wird, dann eine Mehrzahl von Fasern, zumeist in Form von Gelegen und Geweben, auf die Form aufgelegt wird und dann ein Matrixmaterial zum Tränken der Fasern in die Form eingefüllt wird.
-
Dabei hängen die Festigkeit und die weiteren Materialeigenschaften solcher faserverstärkter Formteile insbesondere davon ab, wie die Fasern vor dem Tränken mit dem Matrixmaterial in der Form angeordnet sind.
-
Die Festigkeit solcher Formteile wird insbesondere durch Wellen und Knicke in den Fasern geschwächt. Daher müssen die auf die Form aufgelegten Fasern vor dem Ausgießen der Form mit dem Matrixmaterial sorgfältig mit dem Auge und von Hand auf solche Fehlerstellen in den Fasern überprüft werden. Eine solche Überprüfung ist jedoch zeitaufwendig und kann, da die Fasern zumeist in einer Vielzahl von Lagen angeordnet sind, nur die oberste oder einige wenige Lagen der Fasern erfassen.
-
Eine aus den Fehlerstellen der Faserlagen resultierende Schwächung eines Formteils lässt sich dann erst nach dem Einbetten der Fasern in die Matrix mit unterschiedlichen Prüfverfahren feststellen. Die Konsequenz beim Erfassen einer Schwächung eines Formteils nach dem Einbetten der Fasern in die Matrix und dem nachfolgenden Aushärten ist jedoch, dass das vollständige Formteil weggeschmissen werden muss.
-
Dem gegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Formteile bereitzustellen, welches es ermöglicht, die Fasern in einer Form für ein solches Formteil vor dem Tränken der Fasern mit dem Matrixmaterial auf ihre richtige Lage zu überprüfen.
-
Vor diesem Hintergrund wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Formteile vorgeschlagen mit den Schritten: Bereitstellen einer Form für das herzustellende Formteil, Auflegen einer Mehrzahl von Fasern auf die Form, Bestrahlen der Fasern mit elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich, Erfassen der von den Fasern reflektierten elektromagnetischen Strahlung und/oder der durch die Fasern transmittierten elektromagnetischen Strahlung, Identifizieren einer Fehlerstelle der Fasern anhand der von den Fasern reflektierten elektromagnetischen Strahlung und/oder der durch die Fasern transmittierten elektromagnetischen Strahlung, falls Fehlerstellen in dem Bild der Fasern identifiziert werden, Korrigieren der Fehlerstellen, und Tränken der Fasern mit einem Matrixmaterial.
-
Unter elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzebereich wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz in einem Bereich von 1 GHz bis 30 THz verstanden. In diesem Frequenzbereich stehen mittlerweile kommerziell erhältliche Strahlungsquellen und Strahlungsempfänger bereit. Der THz-Frequenzbereich weist den Vorteil auf, dass viele Materialien, insbesondere Kunststoffe, für elektromagnetische Strahlung in diesem Frequenzbereich transparent sind. Dabei ist die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich im Gegensatz beispielsweise zur Röntgenstrahlung nicht ionisierend.
-
Besonders zweckmäßig ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von glasfaserverstärkten Kunststoffen, wobei die verstärkenden Fasern Glasfasern sind und das Matrixmaterial ein Kunststoff ist. Geeignete Kunststoffe als Matrixmaterial für faserverstärkte Kunststoffe sind insbesondere Duromere (auch Duroplaste oder Kunstharze), Elastomere und Thermoplaste.
-
Allerdings ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung faserverstärkter Formteile mit anderen Fasern und mit anderen Matrixmaterialien als Kunststoffen geeignet, so wie sie in der Beschreibungseinleitung zusammengefasst wurden.
-
Die Erkennung einer Fehlerstelle der Fasern ermöglicht es, die auf die Form aufgelegten Fasern noch vor dem Tränken der Fasern mit einem Matrixmaterial auszutauschen oder ihre Lage in der Form zu korrigieren. Dieses wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung als Korrigieren einer Fehlerstelle verstanden.
-
Während das Identifizieren einer Fehlerstelle der Fasern, d.h. das Erkennen von Knicken, Wellenähnlichem in den auf die Form aufgelegten Fasern, manuell, d.h. durch einen Betrachter eines beispielsweise auf einem Bildschirm wiedergegebenen Bildes erfolgen kann, ist es auch möglich, in einer Ausführungsform eine solche Identifizierung mit Hilfe modernere Bildgebungs- und Bilderkennungsalgorithmen auszuführen.
-
Allgemein ist es ausreichend, die Fasern an einem einzigen Ort oder einer ausgewählten Mehrzahl von Orten mit der elektromagnetischen Strahlung im THz-Frequenzbereich zu bestrahlen und die von diesem Ort reflektierte oder durch diesen Ort transmittierten Strahlung zu erfassen. Dies kann beispielsweise an neuralgischen, d.h. für Fehlerstellen anfälligen Punkten in der Form geschehen. In einer Ausführungsform jedoch erfolgt das Bestrahlen und das Erfassen derart für eine Mehrzahl von Orten der Fasern, dass ein Bild der Fasern erzeugt wird.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Mehrzahl von Lagen von Fasern, beispielsweise in Form von Geweben oder Gelegen, auf die Form aufgelegt. Dabei ist es in einer Ausführungsform zweckmäßig, wenn in einem ersten Schritt mindestens eine Lage von Fasern auf die Form aufgelegt werden, die Lage von Fasern mit elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich bestrahlt wird und die von den Fasern reflektierte oder durch diese transmittierte Strahlung erfasst wird, eine Fehlerstelle der Fasern anhand der von den Fasern reflektierten oder der durch die Fasern transmittierten Strahlung identifiziert wird und falls eine Fehlerstelle der Fasern identifiziert wird, die Fehlerstelle korrigiert wird und dann in einem zweiten Schritt eine weitere Lage von Fasern oder eine Mehrzahl von Lagen von Fasern auf die Form aufgelegt wird, die Fasern erneut mit elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich bestrahlt wird und die von den Fasern reflektierte oder durch diese transmittierte Strahlung erfasst wird, eine Fehlerstelle der Fasern anhand der von den Fasern reflektierten oder der durch die Fasern transmittierte Strahlung identifiziert wird und falls eine Fehlerstelle der Fasern identifiziert wird, die Fehlerstelle korrigiert wird.
-
Auf diese Weise kann eine dicke Schicht von Faserlagen geprüft werden, auch wenn die Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung im THz-Frequenzbereich geringer ist als die Dicke aller Lagen von Fasern zusammen.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Schritte des Bestrahlens der Fasern mit elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich und des Erfassens der von den Fasern reflektierten elektromagnetischen Strahlung und/oder der durch die Fasern transmittierten elektromagnetischen Strahlung die folgenden Schritte: Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit einer Strahlungsquelle, Lenken der elektromagnetischen Strahlung auf die Fasern, Erfassen der von den Fasern reflektierten elektromagnetischen Strahlung mit einem Strahlungsempfänger und/oder Erfassen der durch die Fasern transmittierten elektromagnetischen Strahlung mit einem Strahlungsempfänger.
-
Dabei kann das Erzeugen und das Erfassen der elektromagnetischen Strahlung sowohl in Reflexionsgeometrie als auch in Tranmissionsgeometrie erfolgen. D.h. insbesondere können Bilder sowohl in Reflexionsgeometrie als auch in Tranmissionsgeometrie aufgenommen werden.
-
Faserverstärkte Formteile können durch ganz unterschiedliche Ausgestaltungen des Verfahrens hergestellt werden. Eines davon wird als Faserwickeln bezeichnet, wobei trockene Fasern (d.h. ohne Matrixmaterial) auf einen im Wesentlichen zylindrischen Kern als Form aufgewickelt werden. Nach dem Aufwickeln gilt es, festzustellen, ob die Fasern, die zumeist in Form von Geweben oder Gelegen auf den Kern aufgewickelt werden, Wellen aufweisen. Dazu wird die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich von außen auf die Fasern gelenkt und die von den Fasern reflektierte elektromagnetische Strahlung mit einem Strahlungsempfänger erfasst.
-
In alternativen Ausführungsformen, die insbesondere zur Herstellung komplexerer Formteile geeignet sind, wird die Form von einem zumindest abschnittsweise konkaven Körper gebildet, auf den bzw. in den die Fasern auf- bzw. eingelegt werden.
-
Wie zuvor für das Faserwickeln beschrieben, können auch in einer solchen Ausführungsform des Verfahrens die Fasern in Reflexionsgeometrie erfasst werden, wobei die Strahlung von der offenen Seite der Form her auf die Fasern gelenkt wird.
-
In einer alternativen Ausführungsform besteht jedoch die Form selbst aus einem für die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich transparenten Material, sodass das Bestrahlen und das Erfassen der reflektierten oder transmittierten Strahlung in Reflexions- oder Transmissionsgeometrie erfolgen kann, wobei die elektromagnetische Strahlung durch die Form hindurch tritt. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Herstellung von großen Formteilen, da es so möglich ist, die Lage der Fasern in der Form mit einer entsprechenden Anordnung aus Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger unterhalb der Form zu erfassen, während über der Form freier Raum zum Arbeiten verbleibt.
-
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Schritt des Tränkens der Fasern mit einem Matrixmaterial ein Auflegen einer Folie auf die Fasern, ein Abdichten der Folie gegen die Form, ein Evakuieren eines Volumens zwischen der Folie und der Form und ein Einbringen von flüssigem Matrixmaterial in das Volumen zwischen der Folie und der Form. Ein solches Verfahren wird als Vakuuminfusion zum Tränken der Fasern bezeichnet.
-
Dabei wird in einer Ausführungsform zusätzlich ein Trenngewebe zwischen die Fasern und die Folie eingebracht und zusätzlich ein Verteilermedium zwischen das Trenngewebe und die Folie, um ein gleichmäßiges Fließen der Matrix zu ermöglichen.
-
Durch das Evakuieren eines Volumens zwischen der Folie und der Form, d.h. das Anlegen eines Vakuums, vorzugsweise mit Hilfe einer Vakuumpumpe, presst der Luftdruck die in der Form befindlichen Fasern zusammen und fixiert sie. Das flüssige Matrixmaterial wird darüber hinaus von dem angelegten Vakuum in das Fasermaterial gesaugt und verteilt sich dort gleichmäßig.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Einlegen der Fasern in die Form die Form mit einem Trennmittel beschichtet, um ein Entformen des Formteils aus der Form zu erleichtern.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Formteil nach dem Tränken der Fasern mit einem Matrixmaterial ausgehärtet, wobei nach dem Aushärten und vor oder nach dem Entformen des Formteils aus der Form das Formteil mit elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich bestrahlt wird und die von dem Formteil reflektierte oder durch diese transmittierte Strahlung erfasst wird.
-
Anhand einer solchen Messung und ggf. Bilderzeugung des fertigen Formteils lassen sich beispielsweise Delaminierungen, d.h. Ablösungen der Matrix von den Fasern im fertigen Formteil erkennen.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Bestrahlen und Erfassen bzw. die Erzeugung des Bildes mit Hilfe von RADAR (Radio Detection and Ranging). Dabei wird insbesondere aus der erfassten Strahlung die Laufzeit bzw. der Laufweg der Strahlung von der Strahlungsquelle über den Hohlkörper zu dem Strahlungsempfänger bestimmt.
-
Grundsätzlich stehen für eine Laufzeit- bzw. Laufwegmessung der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsempfänger drei voneinander zu unterscheidende Verfahren zur Verfügung, welche alle die gleiche Information über den Abstand zwischen dem zu prüfenden Gegenstand und der Strahlungsquelle bzw. dem Strahlungsempfänger liefern:
-
In einer ersten Ausführungsform umfasst der Schritt des Erzeugens von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit der Strahlungsquelle ein Frequenzmodulieren der elektromagnetischen Strahlung, wobei die Änderung der Frequenz gegenüber der Zeit vorzugsweise konstant ist, und wobei der Schritt des Erfassens der elektromagnetischen Strahlung mit dem Strahlungsempfänger eine Bestimmung der Differenzfrequenz zwischen einem Referenzsignal und der von dem Strahlungsempfänger empfangenen elektromagnetischen Strahlung umfasst und wobei aus der Differenzfrequenz die Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsempfänger berechnet wird.
-
Ein derartiges Verfahren zum Messen des Abstands zwischen dem Hohlkörper und/oder der Dichtung funktioniert dann insbesondere gut, wenn die Frequenz der erzeugten elektromagnetischen Strahlung über die Zeit kontinuierlich variiert wird, sodass jeder Zeitpunkt der Abstrahlung eindeutig durch die abgestrahlte Frequenz kodiert ist. Ein solches Verfahren zur Abstandsmessung wird auch als FMCW-Radar bezeichnet.
-
Um die Differenzfrequenz zwischen der zu dem definierten Zeitpunkt von der Strahlungsquelle abgestrahlten elektromagnetischen Frequenz im THz-Frequenzbereich und der zu dem definierten Zeitpunkt von dem Strahlungsempfänger empfangenen Strahlung bestimmen zu können, erfolgt in einer Ausführungsform an dem Strahlungsempfänger eine kohärente Detektion, bei der ein Referenzsignal von der Strahlungsquelle mit dem empfangenen Signal gemischt wird, um ein Signal mit der Differenzfrequenz zu erzeugen.
-
Unter der Annahme, dass die Strahlungsquelle und der Strahlungsempfänger im Wesentlichen den gleichen Abstand von den zu erfassenden Fasern aufweisen, lässt sich die Entfernung r (einfacher Abstand) zwischen Strahlungsquelle bzw. Strahlungsempfänger und den Fasern wie folgt aus der erzeugten Differenzfrequenz Δf zwischen der Frequenz der zu einem definierten Zeitpunkt von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung und er zu dem definierten Zeitpunkt im Strahlungsempfänger erfassten elektromagnetischen Strahlung berechnen: r = c / 2Δt = c / 2Δf / df/dt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und t die Zeit ist, welche die von der Strahlungsquelle erzeugte und abgestrahlte elektromagnetische Strahlung benötigt, um mit Lichtgeschwindigkeit die Entfernung r zum reflektierenden Objekt, hier den Fasern, hin- und zurückzudurchlaufen. Das Verhältnis df / dt bezeichnet die Änderungsrate, mit der die Frequenz f der erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung über die Zeit t geändert wird. Diese wird auch als Chirprate bezeichnet.
-
Alternativ zur Verwendung eines FMCW-Radars umfasst in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Schritt des Erzeugens von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit der Strahlungsquelle ein Erzeugen von im Zeitbereich impulsförmiger elektromagnetischer Strahlung. Die Laufzeit eines Impulses mit einer gegenüber dem zu erfassenden Abstand kurzen Impulsdauer lässt sich einfach bestimmen. Dazu kann die Laufzeit zwischen Strahlungsquelle, Hohlkörper und Strahlungsempfänger mit der Laufzeit eines Referenzimpulses über einen bekannten Weg verglichen werden. Ein solches Verfahren wird als Impuls-RADAR bezeichnet.
-
Alternativ umfasst der Schritt des Erzeugens der elektromagnetischen Strahlung im THz-Frequenzbereich mit der Strahlungsquelle das Erzeugen und Abstrahlen einer Mehrzahl von Frequenzen zeitlich nacheinander und der Schritt des Erfassens der elektromagnetischen Strahlung mit dem Strahlungsempfänger umfasst eine Messung der Phase der elektromagnetischen Strahlung für jede einzelne Frequenz relativ zu einem Referenzsignal. Aus der Messung der relativen Phasenlagen der einzelnen Strahlungskomponenten mit einer Mehrzahl von voneinander verschiedenen Frequenzen lässt sich ebenfalls die Laufzeit bzw. der Laufweg zwischen Strahlungsquelle, Fasern und Strahlungsempfänger eindeutig bestimmen.
-
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Strahlungsquelle und/oder der Strahlungsempfänger relativ zu den Fasern bewegt. Dies ist insbesondere dann angezeigt, wenn es sich bei dem herzustellenden Formteil um ein sehr großes Teil, wie zum Beispiel einen Windkraftanlagenflügel, handelt.
-
Obwohl es denkbar ist, dass in einer Ausführungsform der Strahlungsempfänger nur einen einzigen Bildpunkt aufweist, hat der Strahlungsempfänger in Ausführungsformen eine Mehrzahl von Bildpunkten, die zeilenförmig oder matrixförmig angeordnet sind.
-
In Abhängigkeit von der Anzahl der Bildpunkte und ihrer Anordnung im Strahlungsempfänger muss der Strahlungsempfänger in Ausführungsformen entweder in nur einer Richtung oder für eine vollständige Abtastung des Formteils in zwei Richtungen über das Formteil bewegt werden.
-
Während es denkbar ist, zum Erzeugen des Bildes der Fasern ein abbildendes System aus einer Spiegel- oder Linsenoptik für die elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich zu verwenden, wird in einer Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur synthetischen Bildgebung zur Erzeugung des Bildes der Fasern genutzt.
-
Das Prinzip der synthetischen Bildgebung, welche häufig auch als Bildgebung mit synthetischer Apertur bezeichnet wird, besteht darin, die Momentaufnahme einer Antenne oder eines Objektivs mit großer Apertur durch eine Mehrzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmen einer bewegten Antenne oder eines bewegten Objektivs mit kleiner Apertur oder auch durch eine Mehrzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmen einer Mehrzahl ortsfester Antennen oder ortsfester Objektive mit kleiner Apertur zu ersetzen. Das bekannteste System zur synthetischen Bildgebung ist das sogenannte Synthetic Aperture Radar (kurz SAR). Dabei werden die Sende- und die Empfangsantenne eines Radarsystems, welches beispielsweise auf einem Flugzeug montiert ist, an einem Objekt vorbei bewegt. Im Verlauf dieser Bewegung wird das Objekt unter veränderlichem Blickwinkel abgestrahlt und entsprechend aufgenommen. Sofern der Weg der Sende- und Empfangsantenne hinreichend bekannt ist, kann aus Intensität und Phasenlage des von der Sendeantenne ausgestrahlten und von dem Objekt zurück in die Empfangsantenne reflektierten Hochfrequenzsignals die Apertur einer großen Antenne synthetisiert und somit eine hohe Ortsauflösung in Bewegungsrichtung der Antenne erzielt werden. Mit Hilfe der aufgezeichneten Daten des reflektierten Radarsignals wird für jeden von der Sendeantenne im Verlauf des Vorbeifluges angestrahlten Ort eine eigene synthetische Antenne oder ein synthetisches Objektiv berechnet, deren Winkelauflösung im AC-Mode so gewählt wird, dass für alle betrachteten Entfernungen die geometrische Auflösung in Flug- bzw. Bewegungsrichtung gleich ist.
-
Für eine stationäre Anwendung, wie die in dieser Anmeldung beschriebene, werden in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Vielzahl von Strahlungsquellen und Strahlungsempfängern verwendet, welche die Fasern unter unterschiedlichen Winkeln abbilden und deren Signale nach dem SAR-Prinzip ausgewertet werden. Um eine möglichst gute räumliche Auflösung zu erhalten, wird in einer Ausführungsform das von einer einzigen Strahlungsquelle abgestrahlte Signal mit einer Vielzahl von Strahlungsempfängern empfangen.
-
Um die von den einzelnen Strahlungsquellen abgestrahlten Signale nach ihrer Reflektion von den Fasern oder ihrer Transmission durch die Fasern beim Empfang mit einer Mehrzahl von Strahlungsempfängern voneinander unterscheiden zu können, strahlen die einzelnen Strahlungsquellen in einer Ausführungsform ihre Signale, welche alle die gleiche Frequenz aufweisen, zeitlich nacheinander ab. Das heißt die Signalabstrahlung von den einzelnen Sendern erfolgt zeitlich seriell. Bei diesem Verfahren kann zu jedem Zeitpunkt das an einem Strahlungsempfänger empfangene Signal eindeutig einer Strahlungsquelle zugeordnet werden.
-
Alternativ können in einer Ausführungsform alle Strahlungsquellen gleichzeitig, d.h. zeitlich parallel, ihre Signale abstrahlen, wobei jede Strahlungsquelle ein Signal mit einer anderen Frequenz abstrahlt. Auf diese Weise sind die Signale einer jeden Strahlungsquelle frequenzkodiert. Da es in einer solchen Ausführungsform keine zwei Strahlungsquellen mit identischer Frequenz des jeweils abgestrahlten elektromagnetischen Signals gibt, ist jedes von einem Empfänger empfangene Signal eindeutig einer einzigen Strahlungsquelle zuordenbar. Im Sinne einer solchen Ausführungsform ist die Frequenz der elektromagnetischen Signale deren Trägerfrequenz und nicht etwa deren Modulationsfrequenz.
-
In einer Ausführungsform wird daher zum Erzeugen des Bildes der Fasern mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich ein Verfahren mit den folgenden Schritten verwendet: Abstrahlen eines ersten elektromagnetischen Signals mit einer ersten Frequenz von einer ersten Strahlungsquelle, Abstrahlen mindestens eines zweiten elektromagnetischen Signals mit einer zweiten Frequenz von einer zweiten Strahlungsquelle, wobei die erste und die zweite Frequenz voneinander verschieden sind, und im Wesentlichen gleichzeitiges Empfangen des ersten Signals und des zweiten Signals mit einem ersten Empfänger und im Wesentlichen gleichzeitiges Empfangen des ersten Signals und des zweiten Signals mit mindestens einem zweiten Empfänger. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf das Abstrahlen und das Empfangen zweier Signale beschränkt, sondern in einer Ausführungsform der Erfindung werden mehr als zwei Signale abgestrahlt und empfangen.
-
Empfängt in einer solchen Ausführungsform jeder der räumlich getrennten Strahlungsempfänger gleichzeitig ein erstes Signal von einer ersten Strahlungsquelle und ein zweites Signal von einer zweiten Strahlungsquelle, wobei die erste und die zweite Strahlungsquelle an voneinander getrennten Orten angeordnet sind, so kann aus den empfangenen Signalen in kurzer Zeit eine große Apertur synthetisiert und ein Bild mit hoher Auflösung berechnet werden.
-
Insbesondere ist in einer Ausführungsform ein Verfahren denkbar, bei dem die Erzeugung des Bildes der Fasern mit einer Anordnung mit langem Arbeitsabstand zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsempfänger erfolgt. Auf diese Weise lässt sich ein Bild der Fasern beispielsweise von der Hallendecke eines Produktionsbetriebes für faserverstärkte Formteile aus erzeugen.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich.
-
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes der Fasern.
-
2 zeigt schematisch den Aufbau zum Erzeugen eines Bildes der Fasern in einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
3 zeigt schematisch einen Aufbau zum Erzeugen eines Bildes gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
4 zeigt schematisch einen Aufbau zum Erzeugen eines Bildes gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
In den 1 bis 4 sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Die Bildgebungsapparatur aus 1 weist eine Strahlungsquelle 1 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung 2 im THz-Frequenzbereich, hier um 250 GHz, auf. Um eine Abstandsmessung vornehmen zu können, wird die Frequenz der von der Strahlungsquelle 1 erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 2 kontinuierlich variiert, so wie dies durch das Diagramm 3 in der Strahlungsquelle 1 (aufgetragen ist die abgestrahlte Frequenz über die Zeit) angedeutet ist. Das heißt, die Frequenz wird kontinuierlich mit der Zeit geändert, wobei die Rate der Frequenzänderung konstant ist.
-
Die von der Strahlungsquelle 1 erzeugte Strahlung wird abgestrahlt und auf den zu erfassenden Gegenstand, hier eine Mehrzahl von Lagen von Fasermatten 4, gelenkt.
-
Die von den zu inspizierenden Fasern 4 zurückreflektierte Strahlung wird mit Hilfe eines Strahlungsempfängers 5 erfasst. Dabei handelt es sich bei dem Strahlungsempfänger 5 um einen kohärenten Strahlungsempfänger, d.h. in dem Strahlungsempfänger 5 wird die erfasste Strahlung 6 mit einem von der Quelle 1 stammenden Referenzsignal 7 gemischt und ein Signal mit der Differenzfrequenz zwischen dem zu einem definierten Zeitpunkt erzeugten THz-Signal und dem zu diesem definierten Zeitpunkt erfassten THz-Signal erzeugt. Das Referenzsignal 7 spiegelt die aktuell von der Strahlungsquelle 1 abgestrahlte Frequenz der elektromagnetischen Strahlung wider.
-
Da der Zeitpunkt der Erzeugung bzw. Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung 2 von der Strahlungsquelle 1 somit frequenzkodiert ist, lässt sich die Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung 2 zwischen der Strahlungsquelle 1, den Fasern 4 und dem Strahlungsempfänger 5 unmittelbar bestimmen, wenn die Differenzfrequenz zwischen dem aktuell von der Strahlungsquelle 1 abgestrahlten Signal und dem im gleichen definierten Zeitpunkt von dem Strahlungsempfänger 5 erfassten Signal bekannt ist. Da der Strahlungsempfänger 5 durch Mischen des Referenzsignals 7 und des erfassten Signals 6 ein Signal mit der Differenzfrequenz erzeugt, ist dies gegeben. Der Abstand r zwischen dem Strahlungsempfänger 5 und den erfassenden Fasern 4 berechnet sich dann unter der Annahme, dass die Strahlungsquelle 1 und der Strahlungsempfänger 5 den gleichen Abstand von den Fasern 4 haben, als r = c / 2Δt = c / 2Δf / df/dt , wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und t die Zeit ist, welche die von der Strahlungsquelle erzeugte und abgestrahlte elektromagnetische Strahlung benötigt, um mit Lichtgeschwindigkeit die Entfernung r zum reflektierten Objekt hin- und zurückzudurchlaufen.
-
In der dargestellten Ausführungsform weist die Strahlungsquelle 1 eine Bandbreite der erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung in einem Bereich von 230 GHz bis 320 GHz auf, wobei die Frequenz mit konstanter Rate geändert wird, sodass der Bereich von 230 GHZ bis 320 GHZ in 100 μs durchgestimmt wird.
-
Anhand von 2 wird nun eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, wobei zur Erzeugung des Bildes der Fasern eine Apparatur verwendet wird, wie sie schematisch unter Bezug auf 1 beschrieben wurde.
-
Zum Herstellen von Formkörpern, hier einem Windkraftanlagenflügel aus glasfaserverstärktem Epoxydharz, werden zunächst Glasfasermatten 4 in eine Form 9 eingelegt. Die Glasfasermatten 4 sind in der dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens Gewebe mit Kett- und Schussfäden, sodass sich die Glasfasern einer Lage 4a, 4b, 4c, ... zumindest in zwei senkrechten Richtungen zueinander erstrecken. Um die notwendige Festigkeit des Bauteils zu erreichen, sind mehrere Lagen 4a, 4b, 4c, ... in der Form 9 übereinander angeordnet.
-
Derzeit werden die einzelnen Lagen von Fasergeweben 4a, 4b, 4c, ... von Hand in die Form 9 eingelegt. Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass dieses Auflegen bzw. Einlegen der Fasern in die Form zukünftig automatisiert erfolgen wird.
-
Bei den schematisch in den 2 bis 4 dargestellten Verfahren zur Herstellung eines Windkraftanlagenflügels wird die Form 9 vor dem Einlegen der Glasfasermatten 4a, 4b, 4c, ... mit einem Trennmittel beschichtet, um ein einfaches Entformen des fertigen Formkörpers nach dem Aushärten der Matrix zu ermöglichen.
-
Die textilen, d.h. gewebten Glasfasermatten 4a, 4b, 4c weisen den Vorteil auf, dass sie hochgradig flexibel sind und sich so der Innenwand 10 der Form 9 anpassen und deren Verlauf folgen. Beim Einlegen der Glasfasergewebe 4a, 4b, 4c kommt es jedoch nicht selten zu Fehlerstellen.
-
Dabei ist in 2 sowie in den folgenden 3 und 4 der am häufigsten vorkommende Typ von Fehlerstellen mit 8 bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine Welle oder Ondulation in einem Teil der Lagen von Glasfasergeweben 4a, 4b, 4c, ... Aufgrund der hohen Biegsamkeit der einzelnen Glasfasergewebe 4a, 4b, 4c, ... sind solche Wellen mit bloßem Auge nach dem Einlegen aller Gewebe 4a, 4b, 4c in die Form 9 nicht mehr erkennbar, da die Welle 8 in der Regel so wie abgebildet von weiteren Geweben überdeckt wird.
-
Daher wird nach dem Einlegen der Gewebe 4a, 4b, 4c in die Form 9 ein Bild der Fasern mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung 2 im THz-Frequenzbereich erzeugt, welches es aufgrund der inhärenten Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung in diesem Frequenzbereich ermöglicht, in den Bereich zwischen dem obersten Fasergewebe 4a und der Form 9 hineinzuschauen und die Fehlerstelle 8 zu erkennen.
-
Wird eine solche Fehlerstelle 8 in dem mit der Anordnung aus Strahlungsquelle 1 und Strahlungsempfänger 5 erzeugten Bild erkannt, so kann diese Fehlerstelle durch erneutes Einlegen oder Glattstreichen der Fasermatten 4a, 4b, 4c, ... korrigiert werden. Entscheidend ist dabei, dass die Aufnahme des Bildes der Fasern erfolgt, bevor diese mit einem Matrixmaterial, in der dargestellten Ausführungsform Epoxydharz, getränkt werden.
-
Nach dem Einlegen der Glasfasergewebe 4, dem Erzeugen des Bildes und gegebenenfalls Korrigieren der Lage der Glasfasergewebe 4, wird ein Trenngewebe auf die Fasern aufgelegt, gefolgt von einem Verteilermedium und einer luftundurchlässigen Folie, d.h. eine Vakuumfolie (in den Figuren nicht gezeigt). Während Trenngewebe und das Verteilermedium dafür sorgen, dass sich das in die Form 9 einströmende Matrixmaterial besser in der Form verteilt und damit die Fasern gleichmäßiger tränkt, wird die Folie an ihren Rändern mit den Rändern der Form luftdicht abgedichtet. Als nächstes wird an die Form bzw. das Volumen zwischen der Folie und der Oberfläche 10 der Form 9, ein Vakuum angelegt, wodurch die Glasfasermatten gegen die Form gedrückt werden und das Matrixmaterial nach Öffnen eines entsprechenden Zuflusskanals in die Form gesaugt wird.
-
Sind die Fasermatten 4 gleichmäßig mit Matrixmaterial getränkt, so lässt man den Formkörper aushärten.
-
In einem weiteren Schritt kann nach dem Aushärten und Entformen des Formteils aus der Form 9 dieses optional nochmals mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich geprüft werden, wozu erneut ein Bild der Fasern, jedoch jetzt eingebettet in das Matrixmaterial aufgenommen wird und das Bild nachfolgend auf Fehlerstellen, z.B. Delaminationen, untersucht wird.
-
Bei der Ausführungsform aus 2 wird das Bild der Fasern von der Seite der Form her aufgenommen. Daher ist die Form 9 in der in 2 dargestellten Ausführungsform aus Polypropylen gefertigt, welches für die verwendete elektromagnetische Strahlung weitgehend transparent ist, sodass diese einen formseitigen Blick auf die Fasern 4 ermöglicht.
-
Die 3 und 4 beschreiben im Prinzip den gleichen Prozessablauf wie im Zusammenhang mit 2 zuvor beschrieben. Daher sind auch die Form 9, deren Oberfläche 10, die Strahlungsquelle 1 sowie der Strahlungsempfänger 5 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
-
Allerdings zeigen die 3 und 4 abweichend von der Darstellung aus 2, andere Blickrichtungen auf die Glasfasern 4.
-
In 3 erfolgt die Aufnahme des Bildes ebenso wie in der Darstellung aus 2 in einer Reflexionsanordnung, hier jedoch von der offenen Seite der Form 9 her. Auf diese Weise befindet sich nach dem Einlegen der Glasfasern 4 in die Form 9 kein weiteres Material zwischen der Strahlungsquelle 1 bzw. dem Strahlungsempfänger 5 und den Glasfasern 4.
-
4 zeigt eine Anordnung der Strahlungsquelle 1 und des Strahlungsempfängers 5 in Transmissionsgeomtrie, d.h. die elektromagnetische Strahlung 2 im THz-Frequenzbereich tritt ausgehend von der Strahlungsquelle 1 zunächst durch die für diesen Frequenzbereich transparente Form 9 hindurch, durch die Glasfasergewebe 4a, 4b, 4c, ... und erreicht erst dann den Strahlungsempfänger 5.
-
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarere Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
-
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
-
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Strahlungsquelle
- 2
- elektromagnetische Strahlung
- 3
- Diagramm
- 4
- Glasfasern
- 4a
- Glasgewebe
- 4b
- Glasgewebe
- 4c
- Glasgewebe
- 5
- Strahlungsempfänger
- 6
- erfasstes Signal
- 7
- Referenzsignal
- 8
- Fehlerstelle
- 9
- Form
- 10
- Oberfläche
