DE4015384A1 - Fibre orientation determn. - using varied orientation of test piece and microwave beam to give alignment without contact or damage to test material - Google Patents

Abstract

To determine the orientation of fibres in a variety of materials, without damage or contact with the material, the orientation of the test piece is varied in a quasi optical microwave measurement zone in relation to the field strength vector of the beam. The resulting signal changes give the deg. of orientation and the mean orientation alignment of the fibres in the test piece. The measured signal run is pref. developed by rotating the transmitter and/or receiver in relation to the test piece, or the relative orientation is provided by rotating the test piece. The relative orientation can also be provided by rotating the direction of polarisation under electrical control. The transmission measurement at the front side is through a suitable mirror placed in position. A local assessment of the deg. of fibre orientation is provided by a beam limiter, to allow a screening of the sample in one or two dimensions. ADVANTAGE - The system can be set to match the geometry of the test piece to increase the range of quality checks which can be performed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenverfahren, mit dem in Faserwerkstoffen oder in Faserverbundwerkstoffen die örtliche mittlere Ausrichtung der Fasern charakterisiert werden kann.The invention relates to a microwave method with which Fiber materials or in fiber composite materials the local average orientation of the fibers can be characterized.

Nicht nur natürliche Werkstoffe (z. B. Holz), sondern auch Textilwerkstoffe (z. B. Gewebe, Filz) und verstärkte Polymere enthalten Fasern, deren Zugfestigkeit die Versagensgrenzen des Werkstoffs bestimmt. Fasern aus Glas oder Kohlenstoff bewirken beispielsweise die hohe Festigkeit moderner Poly­ merwerkstoffe. Durch geeignete Faserorientierung wird in einer bestimmten Vorzugsrichtung eine besonders hohe Festigkeit er­ zielt. Abweichungen von dieser Orientierung - auch wenn sie nur örtlich vorliegen, wie z. B. in der Bindenaht von verstärkten Spritzgußteilen - verursachen einen Festigkeitsverlust, der zum Bauteilversagen und Folgeschäden führen kann.Not only natural materials (e.g. wood), but also Textile materials (e.g. fabrics, felt) and reinforced polymers contain fibers whose tensile strength exceeds the failure limits of the material. Glass or carbon fibers cause, for example, the high strength of modern poly mer materials. With a suitable fiber orientation, a certain preferred direction he particularly high strength aims. Deviations from this orientation - even if they only available locally, e.g. B. in the weld line of reinforced Injection molded parts - cause a loss of strength that can lead to component failure and consequential damage.

Aufgabe der Qualitätssicherung ist die Erkennung und Bewertung von Bauteilschwächen. Die Charakterisierung der lokalen Faser­ orientierung ist daher eine Aufgabe der Qualitätssicherung, die am verwendungsfähigen Bauteil nur zerstörungsfrei durchzu­ führen ist.Quality assurance is responsible for detection and evaluation of component weaknesses. Characterization of the local fiber Orientation is therefore a job of quality assurance only perform non-destructively on the usable component lead is.

Mit dem wachsenden Einsatz von polymeren Verbundwerkstoffen erhöht sich auch die Dringlichkeit dieser Untersuchungen und das Bemühen, die zerstörende Faseranalyse (d. h. das Schneiden des Werkstoffs und statistische Analyse der elliptischen Faseranschnitte) durch zerstörungsfreie Verfahren zu ersetzen, die beispielsweise die mit der Faservorzugsrichtung korrelierte thermische oder dielektrische Anisotropie ausnutzen. Erstere erfordern einen hohen apparativen Aufwand (Laseranregung und thermographische Temperaturfeldanalyse). Letztere reduzieren sich auf einen Frequenzbereich, in dem die Werkstoffe hin­ reichend transparent sind und in dem Polarisationseffekte zu beobachten sind, also im wesentlichen im Mikrowellenbereich.With the growing use of polymer composites also increases the urgency of these investigations and the effort to do the destructive fiber analysis (i.e. cutting of the material and statistical analysis of the elliptical Replace fiber gates) with non-destructive processes, which, for example, correlated with the preferred fiber direction take advantage of thermal or dielectric anisotropy. The former  require a high expenditure on equipment (laser excitation and thermographic temperature field analysis). Reduce the latter refer to a frequency range in which the materials go are sufficiently transparent and in which polarization effects are observed, essentially in the microwave range.

Es ist bekannt, daß Mikrowellen mit Erfolg zur Bestimmung z. B. des Feuchtigkeitsgehalts von Papier und anderen Faserwerkstoffen eingesetzt werden (J. Kalinski, Feingerätetechnik 23, 11(1974)), neuerdings auch zur Untersuchung der Faserorientierung (S. Osaki, J. Appl. Phys. 64, 4181 (1988)). Diese Untersuchungen verwenden aber eine Hohlleiter- und Resonatortechnik, also eine geschlossene Anordnung, die die Geometrie der Prüfkörper auf folienartige Probekörper beschränkter Größe festlegt.It is known that microwaves are successfully used for determining e.g. B. the moisture content of paper and other fiber materials are used (J. Kalinski, Feingerätetechnik 23, 11 (1974)), recently also for the investigation of fiber orientation (S. Osaki, J. Appl. Phys. 64, 4181 (1988)). This research but use a waveguide and resonator technology, i.e. one closed arrangement, based on the geometry of the test specimen film-like specimens of limited size.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Beschränkung zu vermeiden und eine zerstörungsfreie Untersuchung allgemeinerer und praxisrelevanter Geometrien bis zum Bauteil zu ermöglichen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, Einrichtungen zu seiner Durch­ führung und Anwendungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object of the invention is to limit this avoid and non-destructive investigation more general and practical geometries right down to the component. The object is achieved according to the invention by Characteristic features of claim 1. Further developments of inventive method, facilities for its through leadership and applications are specified in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß gemäß Bild 1 eine quasioptische Ausbildung der Mikrowellenmeßstrecke ver­ wendet wird, um die Faserorientierung über die mit ihr ver­ bundene dielektrische Anisotropie zu erfassen. Diese Meßstrecke ist als Transmissions- oder Reflexionsanordnung drehbar ange­ ordnet. Bei einer nichtstatistischen Verteilung der Faser­ richtungen (Vorzugsrichtung) hängen Reflexion und Transmission des hinter der Lochblende befindlichen Werkstoffbereichs vom Dreh­ winkel α ab, wobei eine Änderung von α um 360° zwei Periodizitäts­ zyklen der Detektorsignalverläufe entspricht. Die Faserrichtung ergibt sich aus den Winkeln, bei denen die Extrema auftreten. Wegen Rausch- und Stehwelleneffekten ist aber eine Fourieranalyse der Signalverläufe sinnvoller: Der aus reeller und imaginärer Fourierkomponente ermittelte Phasenwinkel gibt die Faserrichtung an, wobei zu beachten ist, daß zwischen Transmissions- und Re­ flexionsergebnis eine Phasenverschiebung von 90° besteht. Der aus den Komponenten gebildete Modulationsbetrag, bezogen auf die mittlere Signalhöhe, ist ein Maß für den Orientierungsgrad der Fasern. Die Blende bewirkt eine örtliche Eingrenzung des Unter­ suchungsbereiches, so daß auch ein- oder zweidimensionale raster­ artige Abtastvorgänge möglich sind z. B. zur Erkennung und Be­ urteilung der Anisotropieänderung im Bindenaht- oder Angußbereich. Die Entscheidung über Transmissions- oder Reflexionsmessungen wird nach den Besonderheiten des Prüflings getroffen. Bei CFK- Werkstoffen ist meistens die Reflexionsanordnung geeigneter, die auch den Vorteil bietet, daß sie die Untersuchung von Hohl­ körpern erlaubt.The method according to the invention is based on the fact that, according to Figure 1, a quasi-optical design of the microwave measuring section is used to detect the fiber orientation via the dielectric anisotropy associated with it. This measuring section is rotatably arranged as a transmission or reflection arrangement. In the case of a non-statistical distribution of the fiber directions (preferred direction), the reflection and transmission of the material area located behind the pinhole depend on the angle of rotation α, with a change of α by 360 ° corresponding to two periodicity cycles of the detector signal profiles. The direction of the fibers results from the angles at which the extremes occur. Because of noise and standing wave effects, however, a Fourier analysis of the signal profiles is more sensible: The phase angle determined from real and imaginary Fourier components indicates the fiber direction, whereby it should be noted that there is a phase shift of 90 ° between the transmission and reflection results. The amount of modulation formed from the components, based on the mean signal level, is a measure of the degree of orientation of the fibers. The aperture causes a local limitation of the investigation area, so that one- or two-dimensional grid-like scanning operations are possible, for. B. for detection and assessment of the anisotropy change in the weld line or gate area. The decision about transmission or reflection measurements is made according to the peculiarities of the test object. With CFRP materials, the reflection arrangement is usually more suitable, which also has the advantage that it allows the examination of hollow bodies.

Verschiedene Modifikationen können die Ergebnisse verbessern:Various modifications can improve the results:

• a) Bei schwacher Absorption und Reflexion läßt sich die Genauig­ keit der Orientierungswinkelmessung dadurch steigern, daß hinter dem Prüfling in geeignetem Abstand ein Spiegel ange­ bracht wird, so daß die Reflexionsanordnung auch Transmissions­ anteile mit doppeltem Probendurchlauf erfaßt.a) With weak absorption and reflection, the accuracy can be Increase the speed of the orientation angle measurement in that a mirror is placed behind the test specimen at a suitable distance is brought so that the reflection arrangement also transmissions shares recorded with double sample run.
• b) Die vorgestellte Anordnung eignet sich für größere Proben und Bauteile, deren Drehung aufwendiger wäre als die der Sender/ Emfängeranordnung. Bei kleineren Untersuchungsobjekten wird die Relativorientierung vorzugsweise durch Objektdrehung ver­ ändert.b) The arrangement presented is suitable for larger samples and Components whose rotation would be more complex than that of the transmitter / Receiver arrangement. For smaller objects to be examined the relative orientation preferably ver by object rotation changes.
• c) Die Messungen beruhen darauf, daß die Wechselwirkung der Mikrowellen mit faserartigen Werkstoffeinlagerungen von der Polarisationsrichtung abhängt, die in Bild 1 durch Drehung relativ zum Prüfobjekt verändert wird. Wird die Polarisations­ richtung durch andere Einrichtungen gesteuert, so erübrigt sich die mechanische Drehung. Dadurch kann sich die Meßdauer (derzeit ca. 30 s) verkürzen und der Aufbau der Apparatur vereinfachen.c) The measurements are based on the fact that the interaction of the microwaves with fiber-like material deposits depends on the direction of polarization, which is changed in Figure 1 by rotation relative to the test object. If the polarization direction is controlled by other devices, there is no need for mechanical rotation. This can shorten the measuring time (currently approx. 30 s) and simplify the construction of the apparatus.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Skizze einer beispiel­ haften Meß- und Prüfvorrichtung sowie anhand von Meßkurven er­ läutert. Es zeigenIn the following the invention is based on the sketch of an example stick measuring and testing device as well as on the basis of measurement curves purifies. Show it

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erfassung der faserbedingten Mikrowellenanisotropie, Fig. 1 shows a device according to the invention for detecting the fiber-related Mikrowellenanisotropie,

Fig. 2 die Mikrowellenanisotropie eines dünnen uniaxialen CFK- Laminats in Transmission und Reflexion, Fig. 2, the Mikrowellenanisotropie a thin uniaxial CFRP laminate in transmission and reflection,

Fig. 3 die Mikrowellenanisotropie einer kurzglasfaserverstärkten Platte. Fig. 3 shows the microwave anisotropy of a short glass fiber reinforced plate.

Bei der Meßeinrichtung nach Fig. 1 trifft die vom Sender S emittierte Mikrowellenstrahlung auf die hinter dem mit einer Lochblende versehenen Objektträger befindliche Probe. Von dieser reflektierten Strahlung erfaßt Detektor E₁, Detektor E₂ entsprechend die transmittierte. Die Probe kann durch eine Verschiebevorrichtung rasterartig bewegt werden zur Erkennung defekter Bereiche. Bei Drehung um den Winkel α ändert sich die Relativorientierung des elektrischen Feldstärkevektors bezüglich der Fasern, da­ durch hängen Transmissions- und Reflexionssignal von Proben mit teilweiser Faserorientierung von α ab. Fig. 2 zeigt solche Ergebnisse eines uniaxialen CFK- Laminats. Die Maxima im Re­ flexionsverlauf R treten auf, wenn die Fasern überwiegend parallel zum Feldstärkevektor stehen, entsprechend die Maxima im Trans­ missionsverlauf T bei Orientierung senkrecht dazu. Der zuge­ hörige Winkel zeigt die Faserrichtung an. Fig. 3 zeigt eine entsprechende Messung für einen GFK-Werkstoff. Hier ist die Anisotropie schwächer ausgeprägt, aber noch klar erkennbar. Die Bestimmung der Richtung sollte wegen der Signalstruktur nicht durch die Ablesung der Extrema erfolgen, sondern durch Fourieranalyse, bei der der gesamte Verlauf der Kurve zur Winkel­ bestimmung verwendet wird.In the measuring device according to FIG. 1, the microwave radiation emitted by the transmitter S strikes the sample located behind the slide provided with a pinhole. Detector E ₁ , detector E ₂ accordingly detects the transmitted radiation from this reflected radiation. The sample can be moved in a grid-like manner by a displacement device in order to identify defective areas. When the angle α is rotated, the relative orientation of the electric field strength vector with respect to the fibers changes, since the transmission and reflection signals of samples with partial fiber orientation depend on α. Fig. 2 shows results of a uniaxial such CFRP laminate. The maxima in the reflection curve R occur when the fibers are predominantly parallel to the field strength vector, correspondingly the maxima in the transmission curve T when oriented perpendicularly thereto. The associated angle shows the fiber direction. Fig. 3 shows a corresponding measurement for a GFK material. Here the anisotropy is less pronounced, but still clearly recognizable. Because of the signal structure, the direction should not be determined by reading the extrema, but by Fourier analysis, in which the entire course of the curve is used to determine the angle.

Claims (6)

1. Mikrowellenverfahren und Einrichtung zur zerstörungs- und berührungsfreien Charakterisierung der Faserrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß in einer quasioptisch aufgebauten Mikrowellenmeßstrecke die Orientierung des Prüfobjekts relativ zum Feldstärkevektor der Strahlung verändert und aus den dabei auftretenden Signal­ änderungen der Orientierungsgrad und die mittlere Orientierungs­ richtung der Fasern im Prüfobjekt bestimmt werden.1. Microwave method and device for non-destructive and non-contact characterization of the fiber direction, characterized in that in a quasi-optical microwave measuring section, the orientation of the test object changes relative to the field strength vector of the radiation and changes in the signal occurring, the degree of orientation and the average orientation direction of the fibers in Test object can be determined. 2. Mikrowellenverfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Signalverlauf durch die Rotation des Senders und/oder des Empfängers relativ zum Prüfobjekt er­ zeugt wird.2. Microwave method and device according to claim 1, characterized, that the measured waveform by the rotation of the Sender and / or the recipient relative to the test object is fathered. 3. Mikrowellenverfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativorientierungsänderung durch Drehung des Prüf­ objekts erzeugt wird.3. microwave method and device according to claim 1, characterized, that the relative orientation change by rotating the test object is generated. 4. Mikrowellenverfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativorientierung durch eine elektrisch steuerbare Drehung der Polarisationsrichtung geändert wird.4. microwave method and device according to claim 1, characterized, that the relative orientation by an electrically controllable Rotation of the direction of polarization is changed. 5. Mikrowellenverfahren und Einrichtung nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionsmessung frontseitig mittels eines ge­ eignet angebrachten Spiegels erfolgt. 5. microwave method and device according to claims 1-4, characterized, that the transmission measurement on the front by means of a ge suitably attached mirror.   6. Mikrowellenverfahren und Einrichtung nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Strahlbegrenzungseinrichtung eine orts­ aufgelöste Charakterisierung der Faserorientierung und damit eine ein- oder zweidimensionale Abrasterung der Probe ermöglicht wird.6. microwave method and device according to claims 1-5, characterized, that a location by means of a beam limiting device resolved characterization of fiber orientation and thus a one- or two-dimensional scanning of the Sample is enabled.