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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Härten von Verbundmaterialien
zur Fertigung von Bauteilen und befasst sich insbesondere mit der
Steuerung des Härteprozesses.
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Verbundmaterialien
umfassen Fasern, wie zum Beispiel Kohlenstofffasern, Glasfasern
und Aramidfasern, die in verschiedenen Harzmatrizen gehalten sind.
Sie werden verwendet, um Bauteile für viele Anwendungen zu fertigen,
und sie sind insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie gebräuchlich.
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Um
das Verbundmaterial zu bilden, wird ein chemischer Prozess, bekannt
als Härten,
durchgeführt,
durch den das flüssige
Harz quervernetzt, um einen Feststoff zu bilden. Das Härten findet
allgemein während
des Bauteilformens statt, obwohl es auch in anderen Stadien des
Bildens des Bauteils stattfinden kann, wie zum Beispiel vor oder
nach dem Formen, oder während
des Formens beginnen und nach dem Formen abgeschlossen werden kann.
Das Härten
eines Bauteils kann Zeiten von einigen Sekunden bis zu mehreren
Stunden erfordern. Das Härten
erfordert, dass eine Reaktion in einem verwendeten System stattfindet.
In der Flugzeugindustrie erfordern aus Verbundmaterialien gefertigte
Bauteile, dass die Reaktion mit oder ohne Druck, der ausgeübt wird,
um das Material zu verdichten, bei präzise gesteuerten Temperaturen
stattfindet (dabei kann es sich um Raumtemperatur oder um eine erhöhte Temperatur handeln).
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Umgebungsbedingungen,
einschließlich
der Temperaturverteilung, müssen
präzise
gesteuert werden, um eine gleichmäßige Aushärtung über das ganze Bauteil zu erzeugen.
Um eine Steuerung der Umgebung zu ermögli chen, findet das Härten innerhalb
eines Temperatur gesteuerten Behälters
statt, wie zum Beispiel eines Ofens oder eines Autoklavs (bei dem
auch der Druck gesteuert wird). Andere Umgebungsbedingungen, wie
zum Beispiel die Feuchtigkeit, können
ebenfalls gesteuert werden. Das Steuern der Temperatur über das
Bauteil wird durch Konstruktionserfordernisse komplizierter gemacht, die
relativ dicke Bauteile und/oder Änderungen
der Dicke des Verbundmaterials umfassen. Diese Konstruktionserfordernisse
erhöhen
die Schwierigkeit des Aufrechterhaltens einer konstanten Temperatur über die
Dicke des Verbundmaterials hinweg und an verschiedenen Punkten des
fertigbearbeiteten Bauteils. Die Dickenunterschiede über das
Bauteil bedeuten, dass das Material sich nicht gleichmäßig erwärmt und
nicht gleichmäßig abkühlt, was
zu heißen und/oder
kalten Stellen (hot spots bzw. cold spots) führt.
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Um
den Prozess zu steuern und um zu wissen, wann und wo mehr oder weniger
Wärme zugeführt werden
soll, um heiße
und kalte Stellen zu beseitigen oder abzumildern, wird die Temperatur über das
Bauteil überwacht.
Einrichtungen, wie zum Beispiel Thermoelemente, die an dem Bauteilrand
angebracht sind, werden verwendet, um die Temperatur zu überwachen.
Diese Einrichtungen werden jedoch nur die lokale Randtemperatur
ablesen und keinen Hinweis auf die Temperatur in von der Einrichtung entfernten
Bereichen des Bauteils geben, wie zum Beispiel im Zentrum des Bauteils
oder an einer Randposition, an der keine Einrichtung angebracht
ist. Es wird oft beobachtet, dass es im Zentrum des Bauteils Bereiche
eines schnellen oder langsamen Erwärmens (heiße oder kalte Stellen) gibt,
und zwar aufgrund eines Dünnwerdens
oder Dickwerdens des Verbunds in diesen Bereichen. Das Anordnen
von Thermoelementen zentral an einem härtenden Laminat, um derartige
Wärmefluktuationen
zu überwachen,
ist nicht möglich,
da die Einrichtungen das Produkt markieren, und dies ist nicht akzeptabel.
In der Tat ist es inakzepta bel, überhaupt
eine Einrichtung entfernt von dem Rand auf der Oberfläche des
Bauteils anzuordnen. Dieser Stand der Technik ist in der US-A-5,345,397,
der US-A-4,828,472 und der US-A-4,515,545 erläutert.
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Die
oben erklärten
Schwierigkeiten können durch
die Erfordernisse weiter verschlimmert werden, die Aushärtung über das
Bauteil in einer rauen Umgebung, wie zum Beispiel einer hohen Temperatur
und einem hohen Druck, wie sie in einem Ofen oder einem Autoklav
auftreten, gleichmäßig zu steuern.
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Andere
Anordnungen wurden zum Messen der Temperatur in Öfen und anderen beheizten Behältern vorgeschlagen.
Die US-A-4,685,812 offenbart ein Infrarotpyrometer, das für einen
begrenzten Zeitraum in einen Industrieofen herabgelassen werden
kann, um Infrarotstrahlung zu überwachen.
Die US-A-5,209,881 offenbart die Verwendung eines Infrarotpyrometers.
Es wird in einem Ofen eingesetzt, um die Temperatur von gewellten
Glasfaser-Harz-Kunststoffplatten zu überwachen, die gehärtet werden.
Die US-A-4,874,948 offenbart das Heizen einer Stelle auf der Oberfläche eines
Gegenstands, der einem Härten
unterzogen wird, mittels eines Laserstrahls und ein Schätzen der
Temperatur der geheizten Stelle während eines Heizzyklus mittels
eines Infrarotphotodetektors, der die Infrarotstrahlung überwacht.
Dies ermöglicht
es, dass der Stand des Härtens
des Gegenstands eingeschätzt werden
kann.
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Bei
anderen Anwendungen offenbart die US-A-6,132,084 einen Mikrowellenofen,
bei dem ein Infrarotdetektor die Temperatur in dem Mikrowellenofen überwacht.
Rotierende Flügel,
die zum Verteilen der Mikrowellenstrahlung eingesetzt werden, werden auch
eingesetzt, um die von den Objekten in dem Ofen ausgesendete Infrarotstrahlung
zu scannen, und diese Strahlung wird an einen Photodetektor übermittelt.
Die DE-A-196 15 244 offenbart einen Sensor zur Infrarotstrahlungspyrometrie,
der eine Spule umfasst, an der thermoelektrische Leitungen angebracht
sind, und der in einem beheizten, leitfähigen Gehäuse angeordnet ist und hinter
einem strahlungsdurchlässigen
Fenster positioniert ist.
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Beim
kontaktlosen Überwachen
der Temperatur eines Verbundmaterials, das in einem Ofen oder Autoklav
gehärtet
wird, sind Verbesserungen erforderlich, um die speziellen Probleme
zu berücksichtigen,
die oben für
Luft- und Raumfahrtanwendungen angegeben sind.
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Bei
einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Härten eines Verbundmaterials
zur Verfügung gestellt,
umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines Verbundmaterials
(10) in einem Temperatur gesteuerten Behälter;
Bereitstellen
einer Infrarotkamera (1) innerhalb oder außerhalb
des Behälters,
die angeordnet ist, um die Temperatur des Verbundmaterials über zumindest
einen Teil der Oberfläche
des Materials zu überwachen;
Bereitstellen
eines thermischen Mappings der Temperatur des Teils mittels der
Infrarotkamera; und
Einstellen der Temperatur in dem Behälter in
Abhängigkeit
von dem thermischen Mapping, um das Material zu härten.
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Bei
einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Härten eines
Verbundmaterials zur Verfügung,
umfassend:
einen Temperatur gesteuerten Behälter zum Aufnehmen eines Verbundmaterials
zum Härten;
eine
Infrarot-Temperaturmesseinrichtung, die sich innerhalb oder außerhalb
des Behälters
und entfernt von dem Bauteil befindet, um die Temperatur des Materials
während
des Härtens
zu messen;
eine Infrarotkamera (1), die sich innerhalb
oder außerhalb
des Behälters
befindet und die angeordnet ist, um die Temperatur des Verbundmaterials über zumindest
einen Teil der Oberfläche
des Materials zu überwachen
und um ein thermisches Mapping der Temperatur des Teils bereitzustellen;
und
ein Mittel zum Einstellen der Temperatur in dem Behälter in
Abhängigkeit
von der durch die Kamera überwachten
Temperatur.
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Die
Messeinrichtung kann sich innerhalb oder außerhalb des Behälters befinden.
Ein Anordnen der Einrichtung innerhalb des Behälters ermöglicht es, dass gegenwärtig verwendete
Autoklaven und Öfen
auf einfache Weise modifiziert werden, um aus den Vorzügen der
Erfindung einen Nutzen zu ziehen. Neue Autoklaven und Öfen können derart
gestaltet und gebaut werden, dass sich die Einrichtung außerhalb
der Heizkammer befinden kann, sie aber immer noch in der Lage ist,
das Infrarot innerhalb der Kammer zu detektieren. Der Vorteil von
derartigen Ausgestaltungen besteht darin, dass die Einrichtung nicht
vor den Extremwerten von Hitze und Druck geschützt werden muss, die in der
Kammer auftreten. Der Temperatur gesteuerte Behälter kann ein Autoklav oder
ein Ofen sein.
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Die
Verwendung einer entfernten Temperaturmesseinrichtung ermöglicht es,
dass die Temperatur des Bauteils an von den Rändern des Bauteils entfernten
Punkten gemessen wird, ohne zu riskieren, dass dem Bauteil Schaden
zugefügt
wird. Dies ermöglicht
es, dass mehr Daten der tatsächlichen Temperatur,
die durch das Bauteil während
der Aushärtung
erfahren wird, gesammelt und analysiert werden, und ermöglicht es
deshalb, dass der Härteprozess
präziser
gesteuert wird, was zu einer genaueren Aushärtung und somit zu einem Bauteil
mit höherer
Intaktheit führt.
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Die überwachte
Temperatur kann beurteilt werden, um die Anwesenheit von Hohlräumen in
dem Verbundmaterial zu ermitteln.
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Vorzugsweise
ist die Kamera in dem Behälter
montiert und in einer schützenden
Struktur montiert, die sowohl luftgekühlt als auch wassergekühlt ist.
Die Struktur ist doppelwandig, wobei Wasser zwischen den Wänden fließt und Luft
im Innern der Struktur um die Kamera herum strömt. Eingangs- und Ausgangsröhren sind
enthalten, von denen jede doppelwandig ist, um eine unabhängige Strömung von Luft
und Wasser zu ermöglichen,
und wobei Datenerfassungs- und Steuerungskabel zu der Kamera zum Kühlen der
Kabel in einer der Röhren
angeordnet sind.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die folgenden
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Ansicht einer schützenden
Kammer für
eine Infrarotkamera ist;
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2a eine
Rückansicht
der Kammer von 1 ist;
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2b eine
Seitenansicht der Kammer von 1 ist; und
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3 das
thermische Mapping eines Testlaminats zeigt, das unter Verwendung
der Vorrichtung und des Verfahrens dieser Erfindung analysiert wurde.
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Wie
in 2a und 2b zu
sehen ist, wurde eine Infrarotkamera 1 in einer schützenden
Kammer 2 angeordnet, um die Kamera 1 von den in
einem Autoklav auftretenden Extremwerten von Hitze und Temperatur
zu schützen,
die typischerweise bis zu 200°C
bzw. 8 × 105
N/m2 betragen können. Die Kammer 2 ist
als eine doppelwandige Struktur 3, 4 aus rostfreiem
Stahl konstruiert, die eine Zinkselenidlinse 5 aufweist.
Für die
Linse 5 wird Zinkselenid verwendet, weil es im Gegensatz
zu normalem Glas durchlässig
für Infrarot
ist und es somit ermöglicht, dass
das Infrarot zu dem Detektor in der Kamera 1 durchgeht.
Die Linse 5 ist aus einem speziellen, 12 mm dicken Kristall
gebildet, der den in dem Autoklav auftretenden Temperaturen und
Drücken
standhalten kann (nicht gezeigt).
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Die
Kammer 2 wird gleichzeitig sowohl durch Wasser als auch
durch Luft gekühlt,
um die durch die Kamera 1 erfahrene Umgebung bei einer
akzeptablen Temperatur und einem akzeptablen Druck zu halten. Um
es der Kammer 2 zu ermöglichen,
das Kühlwasser,
die Luft und die Daten-/Kamerasteuerungskabel
aufzunehmen, führen
eine Eingangsröhre 6 und
eine Ausgangsröhre 7 durch
die Kammer 2 hindurch zu der Kamera 1. Beide Röhren 6, 7 sind
als flexible, doppelwandige Röhren
konstruiert, die einen inneren Durchgang und einen umgebenden äußeren Durchgang
schaffen. Die Eingangsröhre 6 stellt
ein Kühlmittel
in Form von Luft und Wasser bereit. Der innere Durchgang der Röhre 6 transportiert
Luft in die Kammer 2, um Lüftungsklappen anzutreiben und
um kühle
Luft in die Kammer 2 einzuführen. Der äußere Durchgang der Röhre 6 wirkt
als ein Wassermantel, der Kühlwasser
zu der Doppelwand der Kammer transportiert. Die Ausgangsröhre 7 ist
auf die gleiche Weise ausgebildet und entfernt das Wasser (das durch
den äußeren Durchgang
hindurchfließt)
und Luft (die durch den inneren Durchgang hindurchströmt), wenn
diese die Wärme
aufgenommen haben. Es führen
auch Kabel durch den inneren Durchgang der Röhre 7, die es ermöglichen,
die Kamera zu steuern und Daten an ein Steuerungssystem weiterzuleiten.
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Das
Steuerungssystem verwendet eine Software, um die von der Kamera 1 empfangenen
Daten zu verarbeiten. Dies kann in Echtzeit oder zu einem späteren Zeitpunkt
bewerkstelligt werden. Ein Verarbeiten und Analysieren der Daten
in Echtzeit ermöglicht
es, Aushärtungstemperaturen
zu steuern und die Temperatur des Autoklaven wie erforderlich einzustellen.
Durch Auswählen
bestimmter Punkte an dem zu härtenden
Bauteil, um davon Messwerte abzulesen (gewöhnlich Punkte, von denen erwartet wird,
das es sich um heiße
oder kalte Stellen handelt), und Ausrichten der Kamera 1 auf
diese Punkte kann die Bauteiltemperatur mit beträchtlicher Genauigkeit gemessen
werden, wodurch es ermöglicht wird,
das Härten
sehr präzise
zu steuern.
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Die
Kamera 1 kann auch dazu verwendet werden, die Aufheiz-
und Abkühleigenschaften
des Autoklaven zu analysieren, bevor der Autoklav zum Härten der
Bauteile verwendet wird. Bestimmte Punkte in dem Autoklaven können über einen
Heizzyklus (Aufheizen und Abkühlen) überwacht
werden, um zu sehen, wie schnell die Temperatur in dem Autoklaven
auf Änderungen
der bereitgestellten Wärme anspricht.
Auf diese Weise kann die Änderung
von Eigenschaften aufgrund der Einführung von Werkzeugen und/oder
Trägerstrukturen
für einzelne
Bauteile durch thermisches Untersuchen derartiger Werkzeuge und
Träger
unter Verwendung der Kamera analysiert werden. Die Ergebnisse der
Analyse können
in der Steuerungssystem-Software beim Beurteilen, wann und wie die
dem Autoklaven zugeführte
Wärme zu ändern ist,
verwendet werden, was noch einmal die Präzision und Genauigkeit des
Härtens
eines Bauteils verbessert und es ermöglicht, das Heizpotenzial zu
maximieren. Ein Beispiel von Umgebungseigenschaften, die geändert werden
können,
ist die Rate der Luftströmung
durch den Autoklaven sowie die Luftströmungstemperatur.
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Der
Aushärtungsprozess
von Verbundmaterialien kann einem Einschluss von Luft ausgesetzt sein,
was Hohlräume
verursacht, die für
den Hersteller normalerweise bis nach der Entnahme aus der Aushärtung nicht
sichtbar sind und die nur sichtbar sind, wenn sie einer zerstörungsfreien
Prüfung
wie einem C-Scan unterzogen werden. Die unter Verwendung des oben
beschriebenen Systems in Echtzeit durchgeführte Analyse kann weitergebildet
werden, um eine Inspektion von Verbundbauteilen während des
Härtens
zu ermöglichen,
und dies kann zur Echtzeit-Inspektion von Bauteilen in den Aushärtungsprozess
einbezogen werden.
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Die
Kamera 1 kann in einer Position fixiert sein oder beweglich
angebracht sein, um es zu ermöglichen,
größere Strukturen
durch eine einzelne Kamera 1 zu überwachen.
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3 zeigt
eine Ansicht eines anfänglichen Testlaminats 10 in
einem Autoklav. Die Schattierung der Ansicht gibt die Temperaturunterschiede über das
Laminat 10 an. Kühlere
Stellen erscheinen als hellere Töne
und heißere
Stellen als dunklere Töne, wie
durch den Temperaturschlüssel 11 angegeben ist.
Wie zu sehen ist, ist der Rand des Laminats 12 kühler als
der Rest des Laminats 10.