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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer homogenen härtbaren Harzmischung, ein Verfahren zum Herstellen von duroplastischen Bauteilen aus dieser homogenen härtbaren Harzmischung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahren.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Überwachen, insbesondere Online-Überwachen der Homogenität einer homogenen härtbaren Harzmischung.
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Die Verfahren und die Vorrichtung werden insbesondere für die Herstellung von Bauteilen aus duroplastischem Verbundwerkstoff für ein Luftfahrzeug, wie Flügel- oder Rumpfbauteilen, eingesetzt.
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Bauteile aus Verbundwerkstoff können unter Verwendung einer härtbaren Harzmischung hergestellt werden. Derartige Harzmischungen enthalten mindestens eine Harzkomponente und eine Härterkomponente. Die Komponenten werden in einem Mischer zu einer Mehrkomponentenharzmischung vermischt, die nach dem Mischvorgang beispielsweise in ein Formwerkzeug eingebracht wird, wo sie zu einem Bauteil aus duroplastischem Polymer aushärtet.
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Typische Harzkomponenten sind Epoxidharze, Polyurethanharze und ungesättigte Polyesterharze. Sie härten unter Einwirkung der Härterkomponente chemisch aus. Die Härterkomponente kann ein chemisches Vernetzungsmittel oder ein Katalysator sein. Für die Härtung eines Epoxidharzes wird beispielsweise eine stöchiometrische Menge eines Polyamins mit dem Epoxidharz vermischt werden.
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Härtbare Harzmischungen können als solche für die Herstellung von Bauteilen verwendet werden. Sie können aber auch das Matrixmaterial für einen duroplastischen Verbundwerkstoff oder Kompositwerkstoff bilden. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit einer aus gehärtetem Epoxidharz bestehenden Matrix und darin eingebetteten Kohlenstofffasern werden im Luftfahrzeugbau verwendet.
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Damit die chemische Reaktion zwischen der Harzkomponente und der Härterkomponente in gewünschter Weise abläuft und nach Abschluss der chemischen Reaktion ein Duroplast mit den gewünschten Eigenschaften entsteht, müssen die Mengenanteile dieser beiden Komponenten sorgfältig eingehalten werden. Außerdem ist eine homogene Vermischung der Härterkomponente mit der Harzkomponente von entscheidender Bedeutung.
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Hierfür sind im Stand der Technik zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die das Ziel haben, das Mischungsverhältnis von zwei oder mehreren Komponenten durch Bereitstellen von konstanten Massen- oder Volumenströmen sicherzustellen.
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Die Konstanz der Massenströme wird üblicherweise überwacht, indem gravimetrisch der Verbrauch der einzelnen Komponenten in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt wird. Alternativ können die Volumenströme genau mit Hilfe von Durchflussmessern in den Zuleitungen erfasst werden. Mischvorrichtungen mit Regelkreisen sorgen beispielsweise dafür, dass eine Abweichung des Istwerts vom Sollwert erkannt wird und dass zur Nachregelung Komponenten, beispielsweise mit Zahnradpumpen, genau nachdosiert werden.
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Für den Mischvorgang können statische Mischer, dynamische Mischer oder statisch-dynamische Mischer verwendet werden. Für die Überwachung der Funktionstüchtigkeit der Mischvorrichtung schlägt
EP 0 966 811 das Einbringen von Detektoren in ein dynamisches Mischrohr vor, die einen Bruch der Mischwendel anzeigen. Dadurch kann verhindert werden, dass eine inhomogene Harzmischung aus dem Mischer austritt, die für die Herstellung von Bauteilen aus gehärteter Harzmischung unbrauchbar wäre.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen homogener Harzmischungen, insbesondere mit einer verbesserten Überwachung der Homogenität der erzeugten Harzmischung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch das Herstellverfahren nach Anspruch 1 gelöst.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines duroplastischen Bauteils, insbesondere eines duroplastischen Bauteils für ein Luftfahrzeug, wie eines Bauteils für einen Flügel oder den Rumpf, ist Gegenstand eines weiteren Nebenanspruchs.
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Eine Vorrichtung zum Durchführen des Herstellverfahrens ist Gegenstand eines weiteren Nebenanspruchs.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach einem ersten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer homogenen härtbaren Harzmischung, das folgende Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen der Komponenten für die härtbare Harzmischung, die mindestens eine Harzkomponente, eine Härterkomponente und ein oder mehrerer Indikatormittel umfassen;
- b) Vermischen der Komponenten in einen Mischer;
- c) Kontinuierliches Messen eines Messwerts betreffend eine optische Eigenschaft des Indikatormittels mit einer Detektionsvorrichtung zur Feststellung der Homogenität der erhaltenen härtbaren Harzmischung.
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Durch das kontinuierliche Messen der optischen Eigenschaft wird die Homogenität der den Mischer verlassenden härtbaren Harzmischung überwacht. Dadurch wird gewährleistet, dass eine homogene härtbare Harzmischung in das Formwerkzeug eingebacht wird.
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Das Verfahren kann dazu dienen, online oder in Echtzeit den Ablauf eines etablierten Mischverfahrens zu überwachen. Es kann auch dazu dienen, bei einem anspruchsvollen Mischverfahren, wie mit einer pastösen Komponente, eine aus dem Mischer austretende Harzmischung gegebenenfalls als noch nicht hinreichend homogen einzustufen und sie einem weiteren Mischvorgang zuzuführen, sofern die härtbaren Harzmischung über eine hinreichend lange Topfzeit verfügt.
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Unter kontinuierlichem Messen wird das Messen über einen Zeitraum verstanden, der mindestens so lang gewählt wird, dass die Feststellung einer momentanen Homogenität oder Inhomogenität der Harzmischung möglich ist. Unter kontinuierliche Messen wird aber auch das Erfassen der Messdaten während des gesamten Mischvorgangs online oder in Echtzeit in einer Produktionslinie in einem Überwachungsverfahren verstanden.
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Es ist bevorzugt, dass in Schritt c) das Vorliegen einer homogenen härtbaren Harzmischung festgestellt wird, wenn der in Schritt c) gemessene Messwert zeitlich konstant ist.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen einer Harzkomponente umfasst, die mindestens ein Reaktionsharz umfasst, das insbesondere unter Epoxidharzen, Polyurethanharzen und ungesättigten Polyesterharzen ausgewählt wird.
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Weitere härtbare Reaktionsharze sind Silikonharze, Vinylesterharze, Phenolharze und Acrylharze, deren homogene Mischung ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überwacht werden kann.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen einer Härterkomponente umfasst, die mindestens einen Härter umfasst, der unter katalytisch wirkenden Verbindungen, wie Peroxiden und Bortrifluorid-Komplexen, und reaktiven Verbindungen, wie polyfunktionellen Verbindungen, insbesondere mehrwertigen Aminen, mehrwertigen Carbonsäureanhydriden, Polyepoxiden und Polyisocyanaten, ausgewählt wird.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen eines oder mehrerer Indikatormittel umfasst, die unter einem oder mehreren von UV-Strahlung absorbierenden Farbstoffen, sichtbares Licht absorbierenden Farbstoffen, Infrarot-Strahlung absorbierenden Farbstoffen, farblosen fluoreszierenden Stoffen und fluoreszierenden Farbstoffen ausgewählt wird. Bei den Farbstoffen und den fluoreszierenden Stoffen kann es sich um organische wie um anorganische Indikatormittel handeln.
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Unter zeitlicher Konstanz ist beispielsweise zu verstehen, dass der Messwert nicht kontinuierlich zu einem niedrigeren Wert driftet. Unter zeitlicher Konstanz ist auch zu verstehen, dass der Messwert zeitabhängig zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert bleibt. Unter zeitlicher Konstanz ist insbesondere das zeitlich konstante Beibehalten des Messwerts zu verstehen, der für eine vollständig homogenisierte indikatormittelhaltige Harzmischung vorab ermittelt wurde. Ein zeitlich nicht konstanter Messwert deutet auf eine noch unvollständige Vermischung der Komponenten, beispielsweise durch noch vorhandene Schlieren, hin.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen einer indikatormittelhaltigen Komponente durch Mischen der Harzkomponente mit einem oder mehreren Indikatormitteln umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen einer indikatormittelhaltigen Komponente durch Mischen der Härterkomponente mit einem oder mehreren Indikatormitteln umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen einer indikatormittelhaltigen Komponente durch Mischen eines oder mehrerer Indikatormittel mit einem Lösemittel oder einem Dispergiermittel umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen einer Harzkomponente und einer Härterkomponente umfasst, die nach Vermischen eine flüssige Harzmischung oder eine pastöse Harzmischung bilden.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen einer Harzkomponente und einer Härterkomponente umfasst, die nach Vermischen eine optisch transparente Harzmischung oder eine opake Harzmischung bilden.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Zuschlagstoffen, wie Verstärkungsstoffen, umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Zuschlagstoffen, wie Verstärkungsstoffen, umfasst, die durch ihre Absorptionseigenschaften und/oder Fluoreszenzeigenschaften als Indikatormittel wirken.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen einer Harzkomponente mit einem ersten Indikatormittel und einer Härterkomponente mit einem zweiten Indikatormittel umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen einer indikatormittelhaltigen Harzkomponente durch Lösen oder Dispergieren eines oder mehrerer Indikatormittel in der Harzkomponente und/oder Bereitstellen einer indikatormittelhaltigen Härterkomponente durch Lösen oder Dispergieren eines oder mehrerer Indikatormittels (24) in der Härterkomponente (20) umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen eines oder mehrerer Farbstoffe als Indikatormittel, die über schmale Absorptionsbanden verfügen, umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen eines oder mehrerer Farbstoffe als Indikatormittel umfasst, die Strahlung in einem Spektralbereich absorbieren, in dem Komponenten des Mehrkomponentensystems eine geringe Eigenabsorption besitzen.
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Es ist bevorzugt, dass der Mischer in Schritt b) ein statischer Mischer, ein dynamischer Mischer oder ein statisch-dynamischer Mischer ist.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Messen des Messwerts stromabwärts des Mischers umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) Messen des Messwerts stromabwärts der Vermischungszone umfasst. Bei einem statischen Mischer kann die Messung auch innerhalb des Mischers stromabwärts der Mischelemente des Mischers durchgeführt werden. Bei einem dynamischen Mischer kann die Messung auch innerhalb der Mischvorrichtung beispielsweise im Bereich des Auslasses durchgeführt werden.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Messen der UV-Absorption und/oder der VIS-Absorption und/oder der IR-Absorption des oder der Indikatormittel mit einem Absorptionsspektrometer umfasst. UV ist die Abkürzung für Ultraviolettstrahlung, VIS für sichtbares Licht und IR für Infrarotstrahlung.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Messen der Absorption im Bereich einer schmalen Absorptionsbande, insbesondere im Bereich dessen Absorptionsmaximums, umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Messen des von dem oder den Indikatormitteln emittierten Fluoreszenzlichts mit einem Fluorimeter umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Messen der Fluoreszenz in einem durch ein Filter oder einen Monochromator selektierten Wellenlängenbereich umfasst
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Online-Durchführen der Messung der optischen Eigenschaft umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Erfassen der Messwerte in einem Flächenbereich der härtbaren Harzmischung umfasst, der in der Größenordnung von gegebenenfalls beim Mischvorgang auftretenden Schlieren liegt.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Erfassen der Messwerte an einer dünnen Schicht der härtbaren Harzmischung umfasst.
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Nach einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen der Homogenität einer härtbaren Harzmischung, das das Durchführen eines der weiter oben beschriebenen Verfahren umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass das Herstellverfahren oder das Überwachungsverfahren den folgenden weiteren Schritt umfasst:
- d) Rückführen der härtbaren Harzmischung (12) in den Mischer (38) gemäß Schritt b) oder Weiterleiten der härtbaren Harzmischung (12) in einen stromabwärts gelegenen weiteren Mischer, dem gegebenenfalls eine weitere Detektionsvorrichtung nachgeschaltet ist, wenn der in Schritt c) erhaltene Messwert eine inhomogene Harzmischung anzeigt.
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Wenn eine Harzmischung in Schritt c) als inhomogen eingestuft wird, kann sie nochmals einem Mischvorgang unterzogen werden. Für die Durchführung dieses zusätzlichen Mischvorgangs werden vorzugsweise langsam aushärtende Harzmischungen mit einer hinreichend langen Topfzeit verwendet.
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Nach einem dritten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines duroplastischen Bauteils, insbesondere eines duroplastischen Bauteils für ein Luftfahrzeug, wie eines Flügelbauteils oder Rumpfbauteils, das das Durchführen eines der weiter oben beschriebenen Verfahren, das Einbringen der homogenen härtbaren Harzmischung in ein formgebendes Werkzeug und das Aushärten der homogenen härtbaren Harzmischung in dem formgebenden Werkzeug umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass die homogene härtbare Harzmischung mit einem Verstärkungsmaterial, wie Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, kombiniert wird, um ein Bauteil aus duroplastischem Verbundwerkstoff zu erhalten.
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Nach einem vierten Aspekt schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des weiter oben beschriebenen Herstellverfahrens oder Überwachungsverfahrens, die umfasst:
- a) Behälter zum Bereitstellen der Komponenten;
- b) einen Mischer zum Vermischen der Komponenten,
- c) eine Detektionsvorrichtung zum kontinuierlichen Messen eines Messwerts betreffend eine optische Eigenschaft des oder der in der härtbaren Harzmischung enthaltenen Indikatormittel;
- d) gegebenenfalls ein Formwerkzeug (46).
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Es ist bevorzugt, dass der Mischer ein statischer Mischer, ein dynamischer Mischer oder ein statisch-dynamischer Mischer ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Detektionsvorrichtung stromabwärts des Mischers angeordnet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Detektionsvorrichtung ein Absorptionsspektrometer und/oder ein Fluorimeter ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung einen Mischbehälter mit Rührer zum Vermischen mindestens einer Komponente mit einem Indikatormittel zum Herstellen einer indikatormittelhaltigen Komponente stromaufwärts des Mischers umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Leitung zum Rückführen der härtbaren Harzmischung in den Mischer umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung einen stromabwärts des Mischers gelegenen weiteren Mischer umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung eine weitere Detektionsvorrichtung stromabwärts des weiteren Mischers umfasst.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine Schemazeichnung einer Vorrichtung zum Herstellen einer homogenen härtbaren Harzmischung und zur Weiterverarbeitung zu einem duroplastischen Bauteil;
- 2 einen statischen Mischer zur Verwendung als Mischer in dem Verfahren;
- 3 ein Photometer zur Verwendung als Detektionsvorrichtung in dem Verfahren;
- 4 ein Fluorimeter zur Verwendung als Detektionsvorrichtung; und
- 5 eine Ausschnittvergrößerung einer Ausführungsform der Vorrichtung mit einem statischen Mischer und einem Absorptionsspektrometer.
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Duroplastische Bauteile 48, wie Flügel- oder Rumpfbauteile für ein Luftfahrzeug, müssen in ihrem gesamten Volumen die spezifizierten physikalische Eigenschaften, wie Festigkeit und Steifigkeit, aufweisen. Für die Einhaltung der Spezifikationen ist es von zentraler Bedeutung, dass die Bauteile 48 aus einer homogenen härtbaren Harzmischung 12 hergestellt werden. Eine inhomogene Harzmischung würde zu klebrigen, nicht vollständig vernetzten Bereichen und zu übermäßig gehärteten Bereichen im Bauteil 48 führen.
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1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Herstellen der homogenen härtbaren Harzmischung 12 aus einer Harzkomponente 16 und einer Härterkomponente 20, das Formwerkzeug 46 zum Verarbeiten dieser homogenen Harzmischung 12 und das im Formwerkzeug 46 durch Einspritzen und Aushärten erzeugte duroplastische Bauteil 48.
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Die Vorrichtung 10 umfasst einen ersten Behälter 14, der die Harzkomponente 16, beispielsweise ein Epoxidharz, enthält, einen zweiten Behälter 18, der die Härterkomponente 20, beispielsweise ein Diamin, enthält, und einen dritten Behälter 22, der ein Indikatormittel 24 enthält. Das Indikatormittel kann fest oder flüssig sein und ist hier beispielsweise ein gelöster blauer organischer Farbstoff, der vorzugsweise eine schmale Absorptionsbande, noch bevorzugter mit einem hohen Extinktionskoeffizienten, aufweist.
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Das Epoxidharz 16 und der blaue Farbstoff 24 werden durch Leitungen 26 in eine Mischvorrichtung 28 mit Propellerrührer 30 eingebracht, wo sie zu einem farbstoffhaltigen Epoxidharz 32 vermischt werden. Das Epoxidharz 32 ist hellblau gefärbt.
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Die Menge an eingebrachtem Farbstoff, allgemeiner Indikatormittel ist variabel. Die Konzentration muss so groß sein, dass die Messung der optischen Eigenschaft eine zuverlässige Bestimmung der Messwerte ermöglicht. Die Konzentration muss gleichzeitig so gering sein, dass die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Formteils durch den gelösten Stoff nicht oder nur unwesentlich beeinflusst werden.
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Anschließend werden das farbstoffhaltige Epoxidharz 32 und der Diamin-Härter 20 durch eine Harzzufuhrleitung 34 und eine Härterzufuhrleitung 36 in einen statischen Mischer 38 eingeleitet. Die Mengenanteile der Harzkomponente und der Härterkomponente werden den Angaben des Harzherstellers entsprechend genau eingehalten. Sie werden in der Vorrichtung beispielsweise durch Volumenstrommessgeräte 37 kontrolliert. Bei besonders sensiblen Systemen wird anstelle der Messung des Volumenstroms eine Messung des Gewichts der Komponenten durchgeführt.
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In dem Mischer 38 wird das farbstoffhaltige Epoxidharz 32 mit dem Diamin 20 vermischt. Dabei wird zunächst eine Mischung erhalten, die großflächige hellblaue Schlieren aufweist. Die Schlieren werden innerhalb des Mischers 38 immer feiner. Bei vollständiger Homogenisierung oder Durchmischung wird eine einheitlich hellblau gefärbte härtbare Harzmischung 12 bildet.
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Die härtbare Harzmischung 12 wird stromabwärts des Mischers 38 in einer Detektorvorrichtung 42 hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften untersucht. Die Messung kann im Hauptproduktstrom oder in einem Bypass 40 erfolgen.
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Die Messung kann in einem Absorptionsspektrometer 43 oder mit einem Fluorimeter 45 durchgeführt werden. Die absorptionsspektroskopische Untersuchung kann in Transmission oder in Reflexion durchgeführt werden.
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Zur Erfassung der Schlieren kann das spektroskopische Verfahren räumlich hochauflösend, insbesondere an einer dünnen Schicht der Harzmischung 12, durchgeführt werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines hochauflösenden UV-VIS-NIR-Spektrometers mit einem Messwellenlängenbereich von 220 nm bis 1100 nm.
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Wenn die kontinuierlich durchgeführte absorptionsspektroskopische Untersuchung ergibt, dass der Absorptionswert, der für einen blauen Farbstoff im roten Bereich des sichtbaren Lichts (VIS-Licht) erfasst wird, zeitlich konstant ist, stellt eine Datenverarbeitungsanlage, wie ein Computer, fest, dass die härtbare Harzmischung 12, die aus dem statischen Mischer 38 ausgetreten ist, die für eine Weiterverarbeitung erforderliche Homogenität aufweist. Die so klassifizierte härtbare Harzmischung 12 kann dann in ein Formwerkzeug 46, wie ein Formwerkzeug für die Herstellung von Bauteilen 48 für einen Flügel oder den Rumpf eines Luftfahrzeugs, weitergeleitet werden.
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2 zeigt einen statischen Mischer 39, der in dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Harzkomponente 12, Härterkomponente 16, Indikatormittel 20 und eventuell eine indikatormittelhaltige Komponente 32 werden in den statischen Mischer 39 gegeben, den sie als härtbare Harzmischung 12 verlassen.
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3 zeigt ein in dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendbares Absorptionsspektrometer 43.
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4 zeigt ein in dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendbares Fluorimeter 45, das anstelle eines Absorptionsspektrometers 43 für das kontinuierliche Messen eines Messwerts durch Erfassen des von dem Indikatormittel 24 emittierten Fluoreszenzlichts eingesetzt werden kann.
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5 zeigt eine Ausschnittvergrößerung eines Teilbereichs einer bevorzugten Vorrichtung, die den Mischer 38 und die Detektionsvorrichtung 42 zeigt. Das Vermischen der Komponenten erfolgt in einem statischen Mischer 39, aus dem eine härtbare Harzmischung 12 austritt. Für die Untersuchung dieser Harzmischung 12 wird eine kleine Menge aus dem Hauptstrom in einen Bypass 40 abgezweigt und in ein Absorptionsspektrometer 43 gelenkt, wo es absorptionsspektroskopisch in Transmission untersucht wird.
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Bei anderen Ausführungsformen kann die Detektion der optischen Eigenschaft auch unmittelbar im Hauptstrom in der Harzmischungsleitung 44 durchgeführt werden. Die absorptionsspektroskopische Untersuchung kann ganz allgemein in Transmission oder in Reflexion durchgeführt werden. Anstelle der absorptionsspektroskopischen Untersuchung kann auch eine fluoreszenzspektroskopische Untersuchung in einem Fluorimeter durchgeführt werden.
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Im Folgenden werden verschiedene Aspekte der Erfindung zusammengefasst:
- Die Erfindung betrifft die Herstellung großer Composit- oder Verbundwerkstoffbauteile, wie Flügel- oder Rumpfbauteile, eines Luftfahrzeugs unter Verwendung einer flüssigen Zweikomponenten- oder Mehrkomponentenpolymermatrix, wobei die Mehrkomponentenpolymermatrix zunächst von dem Bauteile-Hersteller mit Hilfe von geeigneten Mischmaschinen gemischt wird. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass das Gemisch der Komponenten zu allen Zeiten homogen ist und kontinuierlich überwacht wird.
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Chemisch aushärtende Mehrkomponentensysteme werden für die Herstellung von Kunststoffprodukten vielfältig eingesetzt. Die bekanntesten Systeme sind dabei Epoxidharze, Polyurethanharze und ungesättigte Polyesterharze. Derartige Systeme werden z. B. als Kleb- und Dichtstoffe, zur Herstellung von Abformungen oder als Matrixmaterial für Compositwerkstoffe verwendet.
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Chemisch aushärtende Mehrkomponentensysteme bestehen in der Regel aus mindestens zwei Komponenten. Typisch ist eine Harzkomponente, die abhängig vom chemischen System einen Härter oder einen Vernetzer oder einen Katalysator oder Beschleuniger darstellt. Die beiden Komponenten können eine flüssige oder pastöse Konsistenz aufweisen. Damit die chemische Reaktion zwischen den beiden Komponenten in der beabsichtigten Weise abläuft und die nach Abschluss der chemischen Reaktion resultierenden Eigenschaften des hergestellten Kunststoffes den vorgegebenen entsprechen, ist die Einhaltung des Mischungsverhältnisses der beide Komponenten unbedingt einzuhalten und die Homogenität der Vermischung von entscheidender Bedeutung.
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Hierfür sind im Stand der Technik vielfältige Methoden und Vorrichtungen bekannt, die das Ziel haben, das Mischungsverhältnis von zwei oder mehreren Komponenten durch Bereitstellen von konstanten Massen- oder Volumenströmen sicherstellen. Die Homogenität der Mischung selbst wird aber nicht überwacht. Die Kenntnis der Homogenität der Mischung ist aber in verschiedenen Anwendungsbereichen, z. B. bei der Herstellung von Compositbauteilen für Luftfahrtgeräte, von entscheidender Bedeutung und zwingende Voraussetzung dafür, dass 2-Komponenten-Systeme in der Luftfahrttechnik eingesetzt werden können.
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Daher werden zwei- oder mehrkomponentige Kunstharzsysteme in modifizierter Form bereitgestellt, die einer online-Überwachung der Homogenität der Mischung zugänglich sind. Außerdem wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die in der Lage ist, die Homogenität der Mischung der modifizierten Harze online zu bestimmen.
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Eine der Komponenten, bevorzugt die Harzkomponente, kann mit einem löslichen Farbstoff eingefärbt werden. In einer der eigentlichen Mischvorrichtung nachgeschalteten optischen Messvorrichtung wird das Absorptionsverhalten der Mischung gemessen.
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Der lösliche Farbstoff kann ein Farbstoff sein, der über ausreichend schmale Absorptionsbanden verfügt, bevorzugt in einem Spektralbereich, in dem Komponenten des Mehrkomponentensystems eine geringe Eigenabsorption besitzen. Der lösliche Farbstoff kann aber auch ein Fluoreszenzfarbstoff sein. Der lösliche Farbstoff wird vorzugsweise in Mehrkomponentensystemen verwendet, die optisch transparent sind. Fluoreszenzfarbstoffe können sowohl in optisch transparenten Systemen als auch in mit Partikeln gefüllten Systemen eingesetzt werden.
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Die Modifizierung der Mehrkomponentensysteme erfolgt dabei derart, dass der Farbstoff in einer der beiden Komponenten, bevorzugt der Harzkomponente, vollständig gelöst wird. Für das Lösen von löslichen Farbstoffen in einer Flüssigkeit stehen dem Fachmann ausreichend geeignete Verfahren zur Verfügung.
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Die Konzentration des Farbstoffs wird dabei so gewählt, dass der optische Effekt, z. B. die Bestimmung der Absorption der gesamten Mischung, messtechnisch sicher ermittelt werden kann und die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Formstoffes durch den gelösten Farbstoff nicht oder nur unwesentlich beeinflusst werden.
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Im Falle der Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen wird die Konzentration so gewählt, dass die Fluoreszenzintensität der gesamten Mischung messtechnisch sicher ermittelt werden kann und die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Formstoffes durch den gelösten Farbstoff nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird.
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Die Messung der optischen Eigenschaften der eingefärbten Mischung erfolgt im Falle der Verwendung von löslichen Farbstoffen mittels eines Photometers oder im Fall der Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen mittels eines Fluorimeters. Der grundsätzliche Aufbau derartiger Geräte ähnelt sich und ist dem Fachmann bekannt.
Zur Bestimmung der Homogenität der Mischung werden erfindungsgemäß die optischen Eigenschaften bei einer Wellenlänge über die Zeit des Mischvorgangs ermittelt. Im Falle der Verwendung eines löslichen Farbstoffs erfolgt die Messung bei der Wellenlänge der maximalen Absorption des Farbstoffes, d. h. beispielsweise bei der Verwendung eines blauen Farbstoffs wird die Absorption der Mischung kontinuierlich im roten Bereich des sichtbaren Lichts gemessen.
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Bei Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen erfolgt die Messung der Fluoreszenzintensität der Mischung bei der Wellenlänge der emittierten Fluoreszenzstrahlung.
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Die Homogenität der Mischung wird erfindungsgemäß durch die Verfolgung der optischen Eigenschaften der Mischung über die Zeit nachgewiesen. Dabei bedeutet ein über die Zeit konstanter Messwert der Absorption bzw. der Fluoreszenz-Intensität, dass die Mischung homogen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- härtbare Harzmischung
- 14
- erster Behälter
- 16
- Harzkomponente
- 18
- zweiter Behälter
- 20
- Härterkomponente
- 22
- dritter Behälter
- 24
- Indikatormittel
- 26
- Leitung
- 28
- Mischvorrichtung
- 30
- Propellerrührer
- 32
- indikatormittelhaltige Komponente
- 34
- Harzzufuhrleitung
- 36
- Härterzufuhrleitung
- 37
- Volumenstrommessgerät
- 38
- Mischer
- 39
- statischer Mischer
- 40
- Bypass
- 42
- Detektionsvorrichtung
- 43
- Absorptionsspektrometer
- 44
- Harzmischungsleitung
- 45
- Fluorimeter
- 46
- Formwerkzeug
- 48
- Bauteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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