DE102014108639A1 - deformation analysis - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei zunächst beim experimentellen Herstellen einer Faserverbundbauteilprobe Schallsignale und deren Laufzeiten gemessen werden, wobei anhand einer Laufzeitänderung ein Dehnungsparameter ermittelt wird, der dann als Grundlage für eine zu erwartende Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils dient.The invention relates to a method for determining an expected deformation in the manufacture of a fiber composite component, wherein initially during the experimental production of a fiber composite component sample sound signals and their transit times are measured, with a runtime change a strain parameter is determined, then as the basis for an expected deformation at the production of a fiber composite component is used.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils, das aus einem Faserhalbzeug in Verbindung mit einem Matrixmaterial gebildet werden soll. The invention relates to a method for determining an expected deformation in the production of a fiber composite component, which is to be formed from a semi-finished fiber product in conjunction with a matrix material.

Aufgrund ihrer Eigenschaft, bei relativ geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit und Festigkeit in zumindest einer Richtung aufzuweisen, finden Faserverbundbauteile immer mehr Anwendung in den verschiedensten Bereichen. Ein großer Nachteil von Faserverbundbauteilen sind dabei die gegenüber klassischen Werkstoffen signifikant höheren Herstellungskosten, die nicht zuletzt auch darauf zurückzuführen sind, dass ein Großteil der Faserverbundbauteile bei der Herstellung noch viel Handarbeit erfordern. Due to their property of having a high stiffness and strength in at least one direction at a relatively low weight, fiber composite components are finding more and more application in the most diverse fields. A major disadvantage of fiber composite components is the significantly higher manufacturing costs compared to conventional materials, which are not least due to the fact that a large part of the fiber composite components in the production still require much manual work.

Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen wird ein Faserhalbzeug mit einem Matrixmaterial, bspw. einem Harz, infiltriert und anschließend in einem formgebenden Werkzeug in der Regel durch Beaufschlagung von Temperatur und Druck ausgehärtet. Durch das Temperieren des Matrixmaterials, welche das Faserhalbzeug infiltriert, wird eine Vernetzungsreaktion ausgelöst, sodass die Fasern des Faserhalbzeuges zu einem integralen Bauteil verschmelzen. Erst hierdurch ergibt sich die enorme Festigkeit insbesondere Zugrichtung der Fasern. In the production of fiber composite components, a semifinished fiber product is infiltrated with a matrix material, for example a resin, and then cured in a shaping tool, as a rule by applying temperature and pressure. By tempering the matrix material, which infiltrates the semifinished fiber, a crosslinking reaction is triggered, so that the fibers of the semifinished fiber product fuse to form an integral component. Only in this way results in the enormous strength, in particular tensile direction of the fibers.

Nicht selten werden bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen vorgetränkte bzw. vorimprägnierte Faserhalbzeuge verwendet, sogenannte Prepregs. It is not uncommon to use impregnated or preimpregnated semi-finished fiber products, so-called prepregs, in the production of fiber composite components.

Prepregs haben den Vorteil, dass das Faserhalbzeug nicht durch eine aufwendige Anlagenkonstruktion nach dem Einbringen des Faserhalbzeuges in die Werkzeugform mit dem Matrixmaterial infiltriert werden muss. Die meist auf Rollen bahnförmig gebildeten Prepregs können dann vor Ort zugeschnitten und in die Werkzeugform schichtweise eingebracht werden, um so das spätere Bauteil zu bilden. Prepregs have the advantage that the semi-finished fiber does not have to be infiltrated by a complex system design after introducing the semi-finished fiber into the mold with the matrix material. The prepregs, which are usually formed on rolls in the form of sheets, can then be cut to size on site and introduced layer by layer into the tool mold so as to form the later component.

Bei der Faserverbundherstellung kommt es jedoch gegenwärtig zu herstellungsbedingten Deformationen, die dazu führen, dass sich nach der Entformung des fertigen Faserverbundbauteils aus der Werkzeugform die bei der Herstellung entstandenen Spannungen lösen und es so nachträglich zu einer Deformation des gesamten Faserverbundbauteils kommt. Wurde diese zu erwartende Deformation bei der Konstruktion und Planung des Bauteils sowie der hierfür notwendigen Werkzeugform nicht berücksichtigt, so können möglicherweise vorgegebene Fertigungstoleranzen nicht mehr eingehalten werden. In fiber composite production, however, there are currently production-related deformations that lead to the demoulding of the finished fiber composite component from the mold dissolve the stresses incurred during manufacture and it subsequently comes to a deformation of the entire fiber composite component. If this expected deformation during design and planning of the component as well as the tool shape required for this purpose has not been taken into account, it is possible that predetermined manufacturing tolerances can no longer be met.

Gegenwärtig bleiben solche Deformationen im Konstruktionsprozess entweder unberücksichtigt oder werden durch Erfahrungswerte der beteiligten Personen im Konstruktionsprozess kompensiert. Die vorhandenen Erfahrungswerte sind jedoch an die im Konstruktionsprozess beteiligten Personen gebunden, sodass nun die Gefahr besteht, dass durch Ausscheiden der betreffenden Person ein Know-how-Verlust entsteht. At present, such deformations are either ignored in the design process or are compensated by empirical values of the people involved in the design process. However, the existing empirical values are bound to the persons involved in the design process, so that there is now the danger that the loss of know-how will result if the person concerned leaves the company.

Darüber hinaus können auch die Erfahrungswerte eine 100%ige Reproduktion des Herstellungsergebnisses nicht erreichen, sodass in der Regel erst kostenintensive Prototypen hergestellt werden müssen, um die benötigten Informationen bzgl. der Deformation des herzustellenden Faserverbundbauteils zu ermitteln. Werden Deformationen im Prototypen festgestellt, so müssen diese durch eine abgeänderte Werkzeugform kompensiert werden, was in der Regel unnötige und kostenintensive Nachbearbeitungsschritte am Formwerkzeug bedingen. In addition, the empirical values can not achieve a 100% reproduction of the production result, so that generally cost-intensive prototypes must first be produced in order to determine the information required with respect to the deformation of the fiber composite component to be produced. Deformations are detected in the prototype, they must be compensated by a modified tool shape, which usually require unnecessary and costly post-processing steps on the mold.

Aus der DE 10 2012 105 683 B4 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt. Dabei wird zunächst durch experimentelles Ermitteln einer Verformung bei der Herstellung einer Faserverbundbauteilprobe ein Dehnungsparameter ermittelt, wobei basierend auf dem ermittelten Dehnungsparameter und der Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils die zu erwartende Deformation berechnet wird. From the DE 10 2012 105 683 B4 a method for determining an expected deformation in the manufacture of a fiber composite component is known. In this case, an expansion parameter is first determined by experimentally determining a deformation during the production of a fiber composite component sample, the expected deformation being calculated based on the determined expansion parameter and the component shape of the fiber composite component to be produced.

Hierbei hat es sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass dieses Verfahren nicht sämtliche prozessseitigen Randbedingungen und im Speziellen der wirkende Fertigungsdruck im Autoklaven berücksichtigt werden können, was je nach zugrunde liegendem Herstellungsverfahren mehr oder weniger zu Ungenauigkeiten in der zu erwartenden Deformation führt. However, it has proved to be disadvantageous that this process can not take into account all the process-side boundary conditions and in particular the effective production pressure in the autoclave, which, depending on the underlying manufacturing process, more or less leads to inaccuracies in the expected deformation.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils anzugeben, bei dem sämtliche prozessseitigen Randbedingungen des zugrunde liegenden Herstellungsprozesses bei der experimentellen Untersuchung einer Faserhalbzeugprobe berücksichtigt werden können. It is therefore an object of the present invention to specify an improved method for determining an expected deformation in the manufacture of a fiber composite component, in which all process-side boundary conditions of the underlying manufacturing process can be taken into account in the experimental investigation of a semifinished fiber sample.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäße Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. The object is achieved by the method according to claim 1 according to the invention.

Demnach wird vorgeschlagen, dass vor dem eigentlichen Konstruktionsprozess für die Herstellung eines Faserverbundbauteils, das aus einem Faserhalbzeug in Verbindung mit einem Matrixmaterial gebildet werden soll, eine Faserverbundbauteilprobe hergestellt wird, wobei während der Herstellung der Bauteilprobe die mit Matrixmaterial infiltrierte Faserhalbzeugprobe mit Schallsignale durchschallt und die Laufzeit der Schallsignale ermittelt werden. Anschließend wird aus einer Laufzeitänderung der ermittelten Laufzeit der Schallsignale ein Dehnungsparameter ermittelt, der bspw. mit Hilfe einer Auswerteeinheit aus den Laufzeiten der Schallsignale und deren Änderungen berechnet werden kann. Anschließend wird die zu erwartende Deformation bei der Herstellung des Faserverbundbauteils in Abhängigkeit von der Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils und von dem mindestens einen ermittelten Dehnungsparameter mit Hilfe einer Recheneinheit berechnet. Die Berechnung der zu erwartenden Deformation kann bspw. mit Hilfe eines Simulationsprogramms basierend auf numerischen Verfahren zur Festkörpersimulation, wie bspw. klassische Finite-Elemente-Methoden, erfolgen. Accordingly, it is proposed that, before the actual design process for the production of a fiber composite component, which is to be formed from a semi-finished fiber product in conjunction with a matrix material, a fiber composite component sample is produced, during manufacture of the Component test the sound penetrated with matrix material fiber sample with sound signals and the transit time of the sound signals are determined. Subsequently, a strain parameter is determined from a change in transit time of the determined transit time of the sound signals, which can be calculated, for example, with the aid of an evaluation unit from the transit times of the sound signals and their changes. Subsequently, the expected deformation during production of the fiber composite component is calculated as a function of the component shape of the fiber composite component to be produced and of the at least one determined elongation parameter with the aid of a computing unit. The calculation of the expected deformation can be done, for example, with the aid of a simulation program based on numerical methods for solid-state simulation, such as, for example, classical finite element methods.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es somit möglich, die bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen auftretenden Deformationen bereits im Konstruktionsprozess zu ermitteln und diese dann bei der Konstruktion des Bauteils sowie der benötigten Bauteilform zu berücksichtigen. Die Herstellung kostenintensiver Prototypen ist somit nicht mehr notwendig. With the aid of the method according to the invention, it is thus possible to determine the deformations occurring during the production of fiber composite components already in the construction process and then to take these into account in the construction of the component and the required component shape. The production of cost-intensive prototypes is therefore no longer necessary.

Außerdem wird die Gefahr von Know-how-Verlust durch Abwanderung von betreffenden Personen stark reduziert, wobei gleichzeitig im Gegensatz zu den Erfahrungswerten eine 100%ige Reproduzierbarkeit sichergestellt werden kann. Denn es ist nahezu unmöglich, rein erfahrungsbasiert bei einem sehr komplexen Bauteil die notwendige Kompensation abzuleiten. In addition, the risk of loss of know-how due to people leaving the country is greatly reduced, while at the same time ensuring 100% reproducibility, in contrast to experience. Because it is almost impossible to derive the necessary compensation for a very complex component based purely on experience.

Die Erfinder haben dabei erkannt, dass durch Messen der Laufzeit von Schallsignalen während der Herstellung der Faserverbundbauteilprobe unter Berücksichtigung sämtlicher prozessseitigen Randbedingungen ein entsprechender Dehnungsparameter ermittelbar ist. Durch eine Untersuchung der Laufzeitänderungen der gemessenen Laufzeit der Schallsignale, die während der Herstellung der Faserverbundbauteilprobe ausgesendet wurden, lässt sich ein entsprechender Dehnungsparameter ableiten, da die Laufzeit eines Schallsignals neben dem Grad der Vernetzungsreaktion des Matrixmaterials auch von einer Verformung des Bauteils abhängt. The inventors have recognized that by measuring the transit time of sound signals during the production of the fiber composite component sample, taking into account all the process-side boundary conditions, a corresponding expansion parameter can be determined. By examining the propagation time changes of the measured propagation time of the sound signals emitted during the production of the fiber composite component sample, a corresponding strain parameter can be derived, since the propagation time of a sound signal depends not only on the degree of crosslinking reaction of the matrix material but also on a deformation of the component.

Hierbei wurde erkannt, dass trotz des Einflusses des Vernetzungsgrades des Matrixmaterials während der Herstellung der Bauteilprobe auf die Laufzeit des Schallsignals dennoch ein entsprechender Dehnungsparameter ermittelbar ist, indem bspw. der Einfluss des Vernetzungsgrades des Matrixmaterials auf die Laufzeit des Schallsignals herausgerechnet wird. Somit lässt sich der Dehnungsparameter gezielt aus dem experimentellen Herstellen einer Bauteilprobe unter sämtlichen prozessseitigen Randbedingungen, die bei der Herstellung des späteren Bauteils ebenfalls existieren, ermitteln, sodass eine zu erwartende Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils bereits im Konstruktionsprozess berücksichtigt werden kann. In this case, it was recognized that, despite the influence of the degree of crosslinking of the matrix material during the production of the component sample on the duration of the sound signal, a corresponding strain parameter can be determined by, for example, the influence of the degree of crosslinking of the matrix material on the duration of the sound signal is excluded. Thus, the strain parameter can be specifically determined from the experimental production of a component sample under all process-side boundary conditions that also exist in the production of the later component, so that an expected deformation in the manufacture of a fiber composite component can already be considered in the design process.

Unter einer Laufzeitänderung kann bspw. die Differenz der Laufzeiten zweier Schallsignale, die nacheinander die Faserhalbzeugprobe mit dem infiltrierten Matrixmaterial durchschallen, sein. So lässt sich bspw. aus den gemessenen Laufzeiten ein Laufzeitenverlauf über den gesamten experimentellen Herstellungsprozess der Bauteilprobe ableiten, wobei hier bspw. die Laufzeitänderung die Differenz zwischen der kürzesten Laufzeit und der längsten Laufzeit zweier Schallsignale, die nicht nacheinander ausgesendet sein müssen, darstellen. Denkbar ist auch, dass die Laufzeitänderung in Abhängigkeit von der Prozesszeit ermittelt wird, um so bspw. Einflüsse auf die Laufzeit bedingt durch die voranschreitende Vernetzung des Matrixmaterials zu reduzieren. For example, the difference between the transit times of two sound signals, which successively scan through the semifinished fiber sample with the infiltrated matrix material, may be a change in transit time. Thus, for example, can be derived from the measured maturities a maturity over the entire experimental manufacturing process of the component sample, here, for example, the maturity change, the difference between the shortest duration and the longest term of two sound signals that do not have to be transmitted sequentially. It is also conceivable that the transit time change is determined as a function of the process time in order, for example, to reduce influences on the transit time due to the progressive cross-linking of the matrix material.

Vorteilhafter Weise wird die mit Matrixmaterial infiltrierte Faserhalbzeugprobe in Richtung außerhalb der Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe durchschallt, besonders vorzugsweise orthogonal zu der Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Dehnungsparameter in Bezug auf die Richtung außerhalb der Hauptfaserebene ermittelt wird, da die herstellungsbedingten Deformationen insbesondere auf das anisotrope Materialverhalten des gesamten Verbundes zurückzuführen sind und Verformungen in Richtung außerhalb der Hauptfaserebene, bspw. eine Verformung in Gegenrichtung der Faserhalbzeugprobe, die Dehnung in der faserdominierenden Laminatebene deutlich übersteigen und damit den Effekt herstellungsbedingten Deformation wesentlich bestimmen. Advantageously, the semifinished product sample infiltrated with matrix material is sounded through in the direction outside the main fiber plane of the semi-finished fiber sample, particularly preferably orthogonal to the main fiber plane of the semifinished fiber sample. In this way, it can be achieved that the expansion parameter is determined with respect to the direction outside the main fiber plane, since the deformations due to the production are due in particular to the anisotropic material behavior of the entire composite and deformations in the direction outside the main fiber plane, for example deformation in the opposite direction of the semifinished fiber sample. significantly exceed the elongation in the fiber-dominating laminate plane and thus significantly determine the effect of production-related deformation.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine relativ kleine Faserhalbzeugprobe mit infiltriertem Matrixmaterial verwendet werden kann, um den gewünschten Dehnungsparameter zu erfassen. Durch die Verwendung relativ kleiner Faserhalbzeugproben und die Messung der Laufzeit von Schallsignalen beim Durchschallen der Faserhalbzeugprobe kann ein sehr einfacher Anlagenaufbau verwendet werden, der gegenüber der Herstellung eines vollständigen Prototyps wesentlich kostengünstiger ist. Soll für die Herstellung des Faserverbundbauteils bspw. ein Autoklav verwendet werden, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Faserhalbzeugprobe ebenfalls zur experimentellen Untersuchung der Dehnungsparameter in dem Autoklaven unter dem für die Herstellung des Faserhalbzeuges notwendigen Prozessbedingungen durchgeführt wird, sodass die Ermittlung der Dehnungsparameter, auf deren Basis letztendlich die zu erwartende Deformation berechnet werden soll, unter möglichst realen Prozessbedingungen erfasst wird. Another advantage of the invention is that a relatively small semi-finished fiber sample with infiltrated matrix material can be used to detect the desired elongation parameter. By using relatively small semifinished fiber samples and the measurement of the transit time of sound signals as it passes through the fiber semifinished product sample can be used a very simple system construction, which is much cheaper compared to the production of a complete prototype. If, for example, an autoclave is to be used for the production of the fiber composite component, it is particularly advantageous if the semifinished fiber sample is likewise carried out for the experimental investigation of the expansion parameters in the autoclave under the process conditions necessary for the production of the semifinished fiber product, so that the determination of the elongation parameters their basis ultimately the expected deformation calculated under the most realistic process conditions possible.

Es ist daher ganz besonders vorteilhaft, wenn die Faserverbundbauteilprobe aus der mit Matrixmaterial infiltrierten Faserhalbzeugprobe durch Aushärten des Matrixmaterials hergestellt wird, in dem die mit Matrixmaterial infiltrierte Faserhalbzeugprobe temperiert und/oder mit einem Druck beaufschlagt wird. Dies kann bspw. in einem Autoklaven erfolgen. It is therefore particularly advantageous if the fiber composite component sample is produced from the semifinished product sample infiltrated with matrix material by hardening the matrix material in which the semifinished product sample infiltrated with matrix material is tempered and / or pressurized. This can be done, for example, in an autoclave.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird in Abhängigkeit von der Laufzeitänderung der ermittelten Laufzeiten der Schallsignale eine Verformung der mit Matrixmaterial infiltrierten Faserhalbzeugprobe in Richtung der Durchschallung ermittelt, wobei der mindestens eine Dehnungsparameter aus der aus der Laufzeitänderung ermittelten Verformung der Faserhalbzeugprobe berechnet wird. According to a further advantageous embodiment, a deformation of the semifinished product sample infiltrated with matrix material in the direction of the transmission is determined as a function of the change in transit time of the determined transit times of the sound signals, wherein the at least one strain parameter is calculated from the deformation of the fiber semifinished product sample determined from the transit time change.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrfach mit entsprechenden Faserhalbzeugproben wiederholt durchgeführt und der mindestens eine Dehnungsparameter in Schritt b) aus Laufzeitänderungen der aus den verschiedenen Wiederholungen ermittelten Laufzeiten der Schallsignale ermittelt. Hierdurch lassen sich experimentelle Schwankungen herausmitteln. In a further advantageous embodiment, step a) of the method according to the invention is repeatedly carried out repeatedly with corresponding semi-finished fiber samples and the at least one strain parameter in step b) is determined from transit time changes of the transit times of the sound signals determined from the various repetitions. As a result, experimental fluctuations can be found out.

Des Weiteren ist es hierbei besonders vorteilhaft, wenn die aus der wiederholten Durchführung des Schrittes a) ermittelten Laufzeitänderungen auf einen gemeinsamen Gelpunkt in dem jeweiligen Laufzeitverlauf normiert werden und der mindestens eine Dehnungsparameter dann aus den jeweiligen auf dem Gelpunkt normierten Laufzeitverläufen der Laufzeiten ermittelt wird. Denn bei der Erreichung des sogenannten Gelpunktes ist das Matrixmaterial in der Lage, mechanische Lasten in nennenswerter Größe zu übertragen. Aus diesem Grund ist dies der Punkt, ab dem mechanische Schwingungen und thermische Schrumpfungen des Matrixmaterials zu bleibenden Spannungseinlagerungen führen, die sich nach dem Entformen in entsprechenden Deformationen äußern. Eine Normierung der verschiedenen Laufzeitverläufe auf diesem Gelpunkt führen somit zu einem genaueren Datenergebnis. Furthermore, it is particularly advantageous in this case if the runtime changes determined from the repeated execution of step a) are normalized to a common gel point in the respective transit time profile and the at least one strain parameter is then determined from the respective runtime characteristics of the transit times normalized on the gel point. Because when the so-called gel point is reached, the matrix material is able to transmit mechanical loads of appreciable size. For this reason, this is the point at which mechanical vibrations and thermal shrinkages of the matrix material lead to permanent stress deposits, which manifest themselves after demoulding in corresponding deformations. A normalization of the different runtime profiles on this gel point thus leads to a more accurate data result.

Des Weiteren ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn der mindestens eine Dehnungsparameter für numerische Verfahren zur Festkörpersimulation, insbesondere für Finite-Elemente-Methoden, bspw. durch die Recheneinheit ermittelt wird, wobei die zu erwartende Deformation bzw. Deformationen mittels des numerischen Verfahrens zur Festkörpersimulation durch die Recheneinheit berechnet werden. Die ermittelten Dehnungsparameter fließen somit direkt in die Berechnung der Festkörpersimulation ein, wodurch sich bereits im Konstruktionsprozess erkennen lässt, wo gegebenenfalls Deformationen auftreten können. Diese können dann während des gesamten Konstruktionsprozesses von vornherein berücksichtigt werden. Furthermore, it is particularly advantageous if the at least one strain parameter for numerical methods for solid state simulation, in particular for finite element methods, eg. By the computing unit is determined, wherein the expected deformation or deformation by means of the numerical method for solid state simulation the arithmetic unit will be calculated. The determined strain parameters thus flow directly into the calculation of the solid-state simulation, which already indicates in the design process where deformations may occur. These can then be considered from the outset throughout the design process.

Hierbei ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn in Abhängigkeit von der Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils und der zu erwartenden Deformation die Werkzeugform zur Herstellung des Faserverbundbauteils ermittelt und hergestellt wird, sodass nach der Entformung des ausgehärteten Faserverbundbauteils aus der Werkzeugform und anschließender Deformation aufgrund von Spannungseinlagerungen während der Herstellung die tatsächlich gewünschte Bauteilform entsteht. In this case, it is particularly advantageous if, depending on the component shape of the fiber composite component to be produced and the deformation to be expected, the tool shape for producing the fiber composite component is determined and produced, so that after the demoulding of the cured fiber composite component from the tool mold and subsequent deformation due to stress deposits during the Production of the actually desired component shape is formed.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the attached figures. Show it:

1 – schematische Darstellung eines entsprechenden Versuchsaufbaus; 1 - schematic representation of a corresponding experimental design;

2 – schematische Darstellung einer erwarteten Deformation nach der Entformung. 2 - Schematic representation of an expected deformation after demolding.

1 zeigt schematisch die experimentelle Herstellung einer Faserverbundbauteilprobe. Eine Faserhalbzeugprobe 1 ist in ein zweiseitiges Werkzeug 2 eingebracht, wobei das zweiseitige Werkzeug 2 eine Unterform 3a und eine Oberform 3b aufweist. 1 schematically shows the experimental production of a fiber composite component sample. A semi-finished fiber sample 1 is in a two-sided tool 2 introduced, with the two-sided tool 2 a subform 3a and a top form 3b having.

Die Faserhalbzeugprobe 1 kann bereits zum Zeitpunkt des Einbringens in das Werkzeug 2 mit einem Matrixmaterial infiltriert sein. In diesem Fall handelt es sich bei der mit Matrixmaterial infiltrierten Faserhalbzeugprobe um eine Prepreg-Probe. Denkbar ist allerdings auch, dass eine trockene Faserhalbzeugprobe in das Werkzeug 2 eingelegt wird und anschließend nach dem Einlegen der trockenen Faserhalbzeugprobe 1 in das Werkzeug 2 in die Faserhalbzeugprobe 1 mit einem Matrixmaterial infiltriert wird. The semi-finished fiber sample 1 Already at the time of insertion into the tool 2 be infiltrated with a matrix material. In this case, the semifinished product sample infiltrated with matrix material is a prepreg sample. However, it is also conceivable that a dry semifinished fiber sample in the tool 2 is inserted and then after inserting the dry fiber semi-finished product sample 1 in the tool 2 in the semifinished fiber sample 1 is infiltrated with a matrix material.

An dem Werkzeug 2 befinden sich Ultraschallsensoren 4a, 4b die an jeweils einer der Werkzeughälften jeweils angeordnet sind. So ist im Ausführungsbeispiel der 1 der Ultraschallsensor 4a an der Werkzeugunterform 3a des Werkzeugs 2 appliziert, während der Ultraschallsensor 4b an der Werkzeugoberform 3b des Werkzeuges 2 appliziert wurde. Beide Ultraschallsensoren 4a, 4b stehen mit einer Auswerteeinheit 5 in Verbindung, welche ausgebildet ist, die Ultraschallsensoren 4a, 4b anzuregen, um ein Schallsignal auszusenden und ein entsprechendes Schallsignal wieder zu empfangen, wobei die Auswerteeinheit 5 dann die Laufzeit des ausgesendeten Schallsignals berechnen kann. On the tool 2 are ultrasonic sensors 4a . 4b which are each arranged on one of the tool halves. Thus, in the embodiment of 1 the ultrasonic sensor 4a at the tool base 3a of the tool 2 applied while the ultrasonic sensor 4b at the tool top 3b of the tool 2 was applied. Both ultrasonic sensors 4a . 4b stand with an evaluation unit 5 in conjunction, which is formed, the ultrasonic sensors 4a . 4b to excite to send out a sound signal and to receive a corresponding sound signal again, wherein the evaluation unit 5 then calculate the duration of the emitted sound signal.

So ist es bspw. denkbar, dass der erste Ultraschallsensor 4a zum Aussenden eines entsprechenden Schallsignals ausgebildet ist, während der Ultraschallsensor 4b zum Empfangen des von dem Ultraschallsensor 4a ausgesendeten Schallsignals ausgebildet ist. Die Auswerteeinheit 5, die das Aussenden des Schallsignals durch den Ultraschallsensor 4a anregt und den Empfang des ausgesendeten Schallsignals durch den Ultraschallsensor 4b detektiert, kann nun in Abhängigkeit der Sende- und Empfangszeitpunkte die Laufzeit des Schallsignals durch das Werkzeug 2 und die Faserhalbzeugprobe 1 berechnen. For example, it is conceivable that the first ultrasonic sensor 4a for emitting a corresponding sound signal is formed during the ultrasonic sensor 4b for receiving the from the ultrasonic sensor 4a emitted sound signal is formed. The evaluation unit 5 transmitting the sound signal through the ultrasonic sensor 4a excites and the reception of the emitted sound signal by the ultrasonic sensor 4b detected, can now depending on the transmission and reception times the duration of the sound signal by the tool 2 and the semifinished fiber sample 1 to calculate.

Aufgrund der bekannten Größe bzw. aufgrund der bekannten Abmessungen des Werkzeuges 2 und dem bekannten Ausbreitungsverhalten lässt sich der Weg des Schallsignals durch das Werkzeug 2 herausrechnen. Da jedoch eine Veränderung während des Herstellens der Faserverbundbauteilprobe an dem Werkzeug 2 nicht zu erwarten ist, kann der Anteil der Laufzeit des Schallsignals durch das Werkzeug 2 auch in dem Laufzeitmesssignal verbleiben. Due to the known size or due to the known dimensions of the tool 2 and the known propagation behavior allows the path of the sound signal through the tool 2 out-count. However, there is a change during the manufacturing of the fiber composite component sample on the tool 2 can not be expected, the proportion of the duration of the sound signal through the tool 2 also remain in the transit time measurement signal.

Denkbar ist allerdings auch, dass die Ultraschallsensoren 4a, 4b sowohl senden als auch empfangen können, bspw. in Form von piezoelektrischen Aktuatoren. Somit ließe sich sowohl ein Schallsignal durch die Werkzeugunterform 3a in Richtung Werkzeugoberform 3b generieren, als auch ein Schallsignal von der Werkzeugoberform 3b in Richtung Werkzeugunterform 3a. However, it is also conceivable that the ultrasonic sensors 4a . 4b both transmit and receive, for example in the form of piezoelectric actuators. Thus, both a sound signal through the tool base would be possible 3a in the direction of the tool upper mold 3b generate as well as a sound signal from the tool upper mold 3b towards tool base 3a ,

Unter einem Ultraschallsignal im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein Schallsignal mit einer Frequenz oberhalb der Hörfrequenz des Menschen verstanden, insbesondere ab etwa einer Frequenz von 16 kHz. In the context of the present invention, an ultrasound signal is understood in particular to mean a sound signal having a frequency above the auditory frequency of the person, in particular from approximately a frequency of 16 kHz.

Das Werkzeug 2 zusammen mit der Faserhalbzeugprobe 1 wird nun in einem Autoklaven 6 angeordnet, wobei der Autoklav 6 ausgebildet ist, im Inneren einen vorgegebenen Druckbereich bereitzustellen sowie den Innenraum des Autoklaven 6 zu temperieren. Durch die Beaufschlagung der Faserhalbzeugprobe 1 mit Druck und/oder Temperatur durch den Autoklav 6 wird der Herstellungsprozess zur Herstellung der Faserverbundbauteilprobe durchgeführt, wobei während der Herstellung der Faserverbundbauteilprobe aus der Faserhalbzeugprobe 1 in dem Autoklaven 6 Schallsignale durch die Ultraschallsensoren 4a, 4b in die Faserhalbzeugprobe 1 ausgesendet und die Laufzeit der Schallsignale durch die Faserhalbzeugprobe 1 gemessen werden. The tool 2 together with the semi-finished fiber sample 1 will now be in an autoclave 6 arranged, with the autoclave 6 is designed to provide a predetermined pressure range inside and the interior of the autoclave 6 to temper. By applying the semifinished fiber sample 1 with pressure and / or temperature through the autoclave 6 the manufacturing process for making the fiber composite component sample is performed, wherein during the manufacture of the fiber composite component sample from the semifinished fiber sample 1 in the autoclave 6 Sound signals through the ultrasonic sensors 4a . 4b in the semifinished fiber sample 1 emitted and the duration of the sound signals through the fiber semi-finished product sample 1 be measured.

Aus einer entsprechenden Laufzeitänderung lässt sich dann ein entsprechender Dehnungsparameter ableiten, der als Basis für eine zu erwartende Deformation bei der Herstellung des herzustellenden Faserverbundbauteils dient. Der Dehnungsparameter kann bspw. die prozentuale Angabe über eine Verformung des Bauteils in Dickenrichtung, bspw. orthogonal zur Hauptfaserebene, sein. Demnach würde der Dehnungsparameter angeben, um wie viel Prozent bezogen auf die Dicke des Faserhalbzeuges sich das Faserhalbzeug verformt, bspw. schrumpft. Denkbar ist allerdings auch, dass der Dehnungsparameter angibt, um wie viel sich bspw. die Halbzeugprobe in eine bestimmte Richtung verspannt bzw. deformiert. From a corresponding change in the running time, a corresponding expansion parameter can then be derived, which serves as the basis for an expected deformation in the production of the fiber composite component to be produced. The elongation parameter can be, for example, the percentage indication of a deformation of the component in the thickness direction, for example orthogonal to the main fiber plane. Accordingly, the expansion parameter would indicate by what percentage based on the thickness of the semifinished fiber, the semi-finished fiber deforms, for example, shrinks. However, it is also conceivable that the expansion parameter indicates how much, for example, the semi-finished product sample is strained or deformed in a certain direction.

2 zeigt schematisch ein C-Profil in der Seitendarstellung, bei dem die zu erwartende Deformation unter Zugrundelegung des vorgenannten Verfahrens vorher berechnet wurde. Das mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnete C-Profil stellt dabei das konstruktionsbedingte Faserhalbzeug dar, dessen Form vorgegeben ist. Das mit der Bezugsziffer 11 gekennzeichnete C-Profil stellt dabei die zu erwartende Deformation nach der Herstellung des Faserverbundbauteils dar, wobei deutlich zu erkennen ist, dass durch die Spannungseinlagerungen aufgrund der Verformung in Dickenrichtung die Stege des C-Profils zusammengezogen werden. 2 schematically shows a C-profile in the side view, in which the expected deformation was previously calculated on the basis of the aforementioned method. That with the reference number 10 marked C-profile represents the design-related semi-finished fiber whose shape is specified. That with the reference number 11 marked C-profile represents the expected deformation after the production of the fiber composite component, which clearly shows that the webs of the C-profile are contracted by the stress accumulation due to the deformation in the thickness direction.

Auf Grundlage der Kenntnis der zu erwartenden Deformation kann nun das Werkzeug zur Herstellung des Faserverbundbauteils so geformt werden, dass sich nach der Entformung aus dem Werkzeug die gewünschte Bauteilform des vorgegebenen Faserhalbzeuges 10 ergibt. Based on the knowledge of the expected deformation, the tool for producing the fiber composite component can now be shaped so that after demolding from the tool, the desired component shape of the predetermined semi-finished fiber product 10 results.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012105683 B4 [0009] DE 102012105683 B4 [0009]

Claims (9)

Verfahren zur Bestimmung einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils, das aus einem Faserhalbzeug in Verbindung mit einem Matrixmaterial gebildet werden soll, mit den Schritten: a) Experimentelles Herstellen einer Faserverbundbauteilprobe aus einer mit einem Matrixmaterial infiltrierten Faserhalbzeugprobe, wobei während der Herstellung der Faserverbundbauteilprobe die mit Matrixmaterial infiltrierte Faserhalbzeugprobe mit Schallsignalen durchschallt und die Laufzeit der Schallsignale ermittelt werden, b) Ermitteln mindestens eines Dehnungsparameters aus einer Laufzeitänderung der ermittelten Laufzeiten der Schallsignale, und c) Berechnen einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils in Abhängigkeit von einer Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils und von dem mindestens einen ermittelten Dehnungsparameter durch eine Recheneinheit.  Method for determining an expected deformation in the production of a fiber composite component which is to be formed from a semi-finished fiber product in conjunction with a matrix material, with the following steps: a) Experimental production of a fiber composite component sample from a semifinished product sample infiltrated with a matrix material, wherein the fiber semifinished product sample infiltrated with matrix material is sound-pierced during production of the fiber composite component sample and the propagation time of the sound signals is determined; b) determining at least one strain parameter from a transit time change of the determined transit times of the sound signals, and c) calculating an expected deformation during the production of a fiber composite component as a function of a component shape of the fiber composite component to be produced and of the at least one determined expansion parameter by a computing unit. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Matrixmaterial infiltrierte Faserhalbzeugprobe in Richtung außerhalb der Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe durchschallt wird, vorzugsweise orthogonal zu der Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe. A method according to claim 1, characterized in that the semi-finished product sample infiltrated with matrix material is sounded through in the direction outside the main fiber plane of the semi-finished fiber sample, preferably orthogonal to the main fiber plane of the semifinished fiber sample. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Faserverbundbauteilprobe aus der mit Matrixmaterial infiltrierten Faserhalbzeugprobe durch Aushärten des Matrixmaterials hergestellt wird, indem die mit Matrixmaterial infiltrierte Faserhalbzeugprobe temperiert und/oder mit einem Druck beaufschlagt wird. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the fiber composite component sample is prepared from the infiltrated with matrix material semifinished product sample by curing the matrix material by the matrix material infiltrated fiber semi-finished sample tempered and / or pressurized. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Laufzeitänderung der ermittelten Laufzeiten der Schallsignale eine Verformung der mit Matrixmaterial infiltrierten Faserhalbzeugprobe in Richtung der Durchschallung und der mindestens eine Dehnungsparameter aus der aus der Laufzeitänderung ermittelten Verformung der Faserhalbzeugprobe ermittelt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that, depending on the transit time change of the determined transit times of the sound signals, a deformation of the semifinished product sample infiltrated with matrix material in the direction of the transmission and the at least one expansion parameter is determined from the deformation of the fiber semifinished product sample determined from the transit time change. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur experimentellen Herstellung der Faserverbundbauteilprobe die Faserhalbzeugprobe in einen Autoklaven eingebracht und die in den Autoklaven mit Matrixmaterial infiltrierte Faserhalbzeugprobe zur Herstellung der Faserverbundbauteilprobe zumindest mit Druck beaufschlagt wird, wobei während der Druckbeaufschlagung in dem Autoklaven die mit Matrixmaterial infiltrierte Faserhalbzeugprobe mit Schallsignalen durchschallt und die Lautzeiten der Schallsignale ermittelt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that for experimentally producing the fiber composite component sample, the semifinished fiber sample placed in an autoclave and the autoclave infiltrated with matrix material fiber sample for producing the Faserverbundbauteilprobe is at least pressurized, wherein during the pressurization in the autoclave with Matrix material infiltrated semi-finished fiber sample with sound signals durchschallt and the sounding times of the sound signals are determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wiederholen des Schrittes a) mehrfach mit verschiedenen mit Matrixmaterial infiltrierten Faserhalbzeugproben und Ermitteln des mindestens einen Dehnungsparameters in Schritt b) aus Laufzeitänderungen der aus den verschiedenen Wiederholungen ermittelten Laufzeiten der Schallsignale.  Method according to one of the preceding claims, characterized by repeating step a) several times with different semifinished product samples infiltrated with matrix material and determining the at least one strain parameter in step b) from transit time changes of the transit times of the sound signals determined from the different repetitions. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der wiederholten Durchführung des Schrittes a) ermittelten Laufzeitänderungen auf einen gemeinsamen Gelpunkt in dem jeweiligen Laufzeitverlauf normiert werden und der mindestens eine Dehnungsparameter dann aus den jeweiligen auf den Gelpunkt normierten Laufzeitverläufen der Laufzeiten ermittelt wird. Method according to Claim 6, characterized in that the transit time changes determined from the repeated performance of step a) are normalized to a common gel point in the respective runtime profile and the at least one strain parameter is then determined from the respective runtime characteristics of the transit times normalized to the gel point. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln des mindestens einen Dehnungsparameters für numerische Verfahren zur Festkörpersimulation, insbesondere für Finite-Elemente-Methoden, und Berechnen der zu erwartenden Deformation mittels des numerischen Verfahrens zur Festkörpersimulation durch die Recheneinheit.  Method according to one of the preceding claims, characterized by determining the at least one strain parameter for numerical methods for solid state simulation, in particular for finite element methods, and calculating the expected deformation by means of the numerical method for solid state simulation by the arithmetic unit. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln einer Werkzeugform zur Herstellung des Faserverbundbauteils in Abhängigkeit von der Bauteilform des Faserverbundbauteils und der zu erwartenden Deformation.  Method according to one of the preceding claims, characterized by determining a tool shape for producing the fiber composite component in dependence on the component shape of the fiber composite component and the expected deformation.
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