DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Ultraschallprozesskontrolle an RTM

J. Bartusch, P. Fengler, J. Mc Hugh, J. Döring
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM),
Unter den Eichen 87, D-12200 Berlin
Kontakt: J. McHugh, J. Döring, J. Bartusch

Hochtechnologie- Faserverbundwerkstoffe werden zunehmend durch Harzinjektionsverfahren hergestellt.

Ein Ultraschallmehrkanalsystem ermöglicht die Kontrolle des Fließ-Härtungs-Verhaltens an mehreren Messstellen im Werkzeug.

Einleitung

Bei der Verarbeitung von Harzsystemen liefert der Verlauf der Schallgeschwindigkeit durch das Material eine genaue Aussage über dessen Aushärtungszustand [1,2]. Ein einkanaliges Ultraschallmesssystem (USpusÒ) wurde an der BAM für die Online-Aushärtungs-kontrolle von relativ kleinen Teilen aus duroplastischen Formmassen entwickelt.

Es bestand der Bedarf, die Ultraschallkontrolle bei Bauteilen mit großen Ausmaßen, die mit dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding) gefertigt werden, anzuwenden.

Bei dem RTM-Verfahren werden Fasermatten in einer Form mit Harz getränkt und ausgehärtet. Dabei verleihen die Faserstrukturen dem Bauteil die gewünschte mechanische Stabilität.

Für die Anwendung der Ultraschall-Aushärtungskontrolle an großen Teilen ist ein Messpunkt nicht mehr ausreichend, da bedingt durch die großen Fließwege die Aushärtung im Formteil inhomogen abläuft. Man muss an mehreren Stellen, wie z. B. Anguss, kritische Füllpunkte, Steiger u.ä., Sensoren platzieren, um den Verlauf der Fließwege des Harzes in der Form und die Aushärtung im gesamten Bauteil ausreichend zu erfassen.

Das Messgerät

Der dafür entwickelte US-Plus-MultiplexerÒ erweitert das einkanalige Ultraschall-messsystem US-PlusÒ auf 8 Kanäle. Mit dem Mutiplexer werden Sendeimpulsausgang und Signaleingang des einkanaligen Ultraschallmessgerätes impulstreu und dämpfungsarm umgeschaltet. Diese preiswerte Konzeption ermöglicht auch kleineren Betrieben den Einsatz der Ultraschall-Aushärtungskontrolle.

Hardwareeigenschaften

Betriebsart Durchschallung, (Puls-Echo möglich)
Impulswiederholrate 1000 Hz
Verstärkung
(automatisch geregelt)
max. 110 dB
Auflösung der Zeit-Basis 4,16 ns
Auflösung der Amplitude 10 bit
Frequenzbereich
(4 Filter-Bereiche)
0,5 - 20 MHz (-3 dB)
Kanalzahl 8 Kanäle
Kanal-Umschaltfrequenz 20 Hz
Einfügedämpfung der Kanäle (in Durchschallung) 4 dB

Angaben zur Software

Betriebssystem Windows 95/98/Me/2000/XP
US-PlusÒ-Steuersoftware LabVIEW Applikation, (BAM)
Hardware-Treiber Client Server Interface OLE 2.0, (Ultraworks/Krautkrämer)

Erprobung des US-Plus-Multiplexers im Labor

Messaufbau und Kalibrierung

Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten zur Prozesskontrolle mit Ultraschall wurden Aspekte des Fließverhaltens von Injektionsharzen im Werkzeug simuliert. Der dafür errichtete Messplatz (Bild 1) besteht aus der Laborvorrichtung

Bild 1: Kompletter Messplatz mit 3 Sensorstrecken Bild 2: Bild 3:
Laborvorrichtung mit 3 Sensorstrecken

(Bild 2) mit 3 Sensorstrecken in unterschiedlichen Höhen (Bild 3), einem Tropfengeber für die kontinuierliche Flüssigkeitszufuhr und dem US-Plus-Multiplexer mit PC zur Messwerterfassung. Eine Sensorstrecke besteht jeweils aus Sender und Empfänger. Die Sensormessköpfe haben einen Durchmesser von 8 mm. Mit dieser Laborvorrichtung sind 3 Kanäle der 8 möglichen Kanäle des US-Multiplexers belegt.

Um die Schallgeschwindigkeit zu erhalten, ist die Bestimmung der genauen Abstände der Sensoren (Sender zu Empfänger) notwendig. Damit die Abstände unabhängig vom jeweiligen Einbauzustand der Sensoren bestimmt werden können, wurde eine Kalibriervorrichtung geschaffen.

Bild 4: Kalibriervorrichtung mit Messuhr

Mittels dieser Kalibriervorrichtung (Bild 4) wird die Schallgeschwindig-keit eines Kalibriermediums (destilliertes Wasser) gemessen.

Ein Innenmessgerät mit Messuhr (Anzeige 0,001 mm) liefert den Abstand zwischen Sender und Empfänger, der eine Genauigkeit von ± 0,01 mm aufweist. Durch den gewählten Abstand von 20 mm zwischen Sender und Empfänger ergibt sich für die gemessene Schallgeschwindigkeit V = s/t eine Genauigkeit von ± 0,1 %. Dieses Wasser wird in die Laborvorrichtung gegeben und aus den gemessenen Laufzeiten und der Schallgeschwindigkeit der Kalibriervorrichtung der genaue Abstand bzw. Weg s je Sensorstrecke ermittelt.

Messergebnisse

Die Vorrichtung wird mittels Tropfengeber kontinuierlich mit Wasser gefüllt. Erreicht das Wasser die Sensorstrecke 1, wird das US-Signal übertragen und vom Usplus-Multiplexer gemessen. Die Zeit vom Erreichen der jeweiligen Sensorstrecke (Punkte A, B, C Bild 5) bis zur vollständigen überdeckung der Sensorflächen (Punkte A', B', C' Bild 5) je Sensorstrecke beträgt ca. 100 s, abhängig von der Einfüllgeschwindigkeit des Wassers. Während der stetigen Füllstandsänderung wird eine überhöhung in dem Schallgeschwindigkeitsverlauf sichtbar. Vermutlich ist dieser Effekt auf die geringfügige Wegänderung des Schalls während der Benetzungsphase der Sensoren mit Wasser zurückzuführen. Bei vollständiger überdeckung der Sensoren mittelt sich der Abstand (Weg s), und der Verlauf der Schallgeschwindigkeit setzt sich gleichmäßig fort (Bild 6).

In der Praxis läuft dieser Prozess um ein vielfaches schneller ab, so dass dieser Effekt viel zu gering ist, um sichtbar zu werden. Auf die Beurteilung des Schallgeschwindigkeitsverlaufes hat er keinen Einfluss. Er ist eher ein Maß für die Messempfindlichkeit des Gerätes.

Bild 5: Überströmen der Sensoren mit Wasser

Bild 6: Vergrößerung V aus Bild 5

Bild 7: Überströmen der Sensoren mit Wasser

Betrachtet man den Amplitudenverlauf des US-Signals (Bild 7), so ist je Sensorstrecke ein anfänglicher Anstieg und ein überschwingen der Amplitude zu erkennen. Der Anstieg spiegelt die zunehmende überdeckung der Sensoren mit Wasser wieder, d.h. die Dämpfung wird geringer. Der Effekt des überschwingens lässt sich auf mögliche Reflexionen an der Wasseroberfläche zurück führen.

Aus dem Anstieg der Amplitude kann die Fließgeschwindigkeit im Werkzeug bestimmt werden. Die Dauer des Anstiegs entspricht der Zeit, die das Wasser vom Beginn bis zur vollständigen überströmung der jeweiligen Sensorstrecke benötigt. In diesem Fall beträgt die Fließgeschwindigkeit ca. 0,08 mm/s.

Fazit

Durch die mehrfache Platzierung von Sensoren lässt sich das Fließverhalten im gesamten Werkzeug detailliert bestimmen. Dies ist besonders für große Bauteile, die im RTM-Verfahren hergestellt werden, von Bedeutung.

Literatur

  1. J.Döring, W.Stark, J.McHugh "Rheologische und akustische Bestimmung der Fließ-Härtungs-Eigenschaften von Injektionsharzen", Vortrag 51 in diesem Tagungsband
  2. W. Stark, J.Döring, J.Kelm, S.Fritsch "Kontrolle der Kautschukvulkani-sation im Werkzeug mit Ultraschall", Plakat 21 in diesem Tagungsband

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net