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Schnelle Permeabilitätsmessung
Schnelle Permeabilitätsbestimmung
von Textilien in QS und F + E
Fließfront auch in hochsteifen RTM-Stahlwerkzeugen „sichtbar“ zu machen. Diese
Fließfrontverfolgung wurde in Form der Permeameter-Technologie seitens der Software
über Sensortechnik bis hin zu Mechanik auf
einen Stand gebracht, der den standardisierten industriellen Einsatz dieser Technologie
erlaubt und so die Serienfertigung von FKVBauteilen vorantreibt.
J. Glück, M. Bobertag, P. Mitschang, D. Becker
In Herstellverfahren für FKV (Faser-Kunststoff-Verbunde) wie etwa RTM (resin transfer
moulding) u. ä. sind Zykluszeiten, Prozessverlauf und -ergebnis stark von der textilen
Permeabilität abhängig, deren Kenntnis Voraussetzung für eine effiziente Werkzeugkonstruktion, Prozessauslegung und Simulation ist. Dem Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) und Präzisionsmaschinenbau Bobertag (PMB) ist es in einem IGF-ZIMTransferprojekt mit patentierter kapazitiver Sensortechnologie gelungen, die Fließfront
auch in hochsteifen RTM-Stahlwerkzeugen „sichtbar“ zu machen. Diese Fließfrontverfolgung als Permeameter-Technologie wurde von Software über Sensortechnik bis
hin zu Mechanik auf einen Stand gebracht, der standardisierten industriellen Einsatz
erlaubt und so die Serienfertigung von FKV-Bauteilen vorantreibt.
2. Was ist Permeabilität?
Die richtungsabhängige Größe Permeabilität quantifiziert die Durchlässigkeit von porösen Materialien für Gase und/oder Flüssigkeiten. Je höher die Permeabilität ist, umso
leichter durchdringt ein Medium das poröse
Material. Es ist ein Kennwert des Feststoffs,
z. B. eines Textils, nicht eines Fluids.
Cycle times, process behaviour and process results of manufacturing procedures for
fibre composites – such as RTM (resin transfer moulding) and the like – strongly depend on textile permeability; its knowledge is the basis for efficient tool construction,
process design and simulation. Within the frame of an IGF-ZIM transfer project and
based on patented capacitive sensor technology, the Institut für Verbundwerkstoffe
(IVW) and Präzisionsmaschinenbau Bobertag (PMB) have succeeded in making the
flow front “visible”, even in extremely rigid steel RTM tools. The tracking of the flow
front in the form of a permeameter technology was brought to a state – from software, sensor technology through to the mechanical system – allowing the standardised usage in industry and hence boosting serial production of fibre composite parts.
1. Einleitung
Für das Jahr 2020 wird ein Herstellvolumen von 2 300 kt endlos glasfaserverstärkter
und 160 kt endlos kohlenstofffaserverstärkter Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) erwartet. Das Resin Transfer Moulding (RTM) und
ähnliche FKV-Herstellungsverfahren gelten
als wirtschaftlichste Herstellungsprozesse für
die Serienfertigung [1]. In Bezug auf eine
effiziente Werkzeugkonstruktion, die Auslegung des Herstellprozesses und in diesem
Zusammenhang erforderliche Simulationen
ist die Kenntnis der textilen Permeabilität
eine Grundvoraussetzung. In einem IGFZIM-Transferprojekt ist es dem Institut für
Verbundwerkstoffe (IVW) und Präzisionsmaschinenbau Bobertag (PMB) mit patentierter
kapazitiver Sensortechnologie gelungen, die
Bei Injektionsprozessen wie dem Resin
Transfer Moulding (RTM) beschreibt die Permeabilität des Textils, wie gut es sich von der
Matrix, z. B. einem Epoxidharzsystem, imprägnieren lässt, also wie gut die Matrix das
Textil durchdringt. Die Kenntnis dieser Materialeigenschaft, vor allem in der Ebene ist
Voraussetzung für die Vorhersage des Fließfrontverhaltens und ist damit Voraussetzung für effiziente Werkzeugkonstruktion,
Prozessauslegung und Simulation. Dementsprechend wichtig ist eine verlässliche und
stabile Messung der Permeabilität, um die
Eignung der eingesetzten Verstärkungstextilien für eine Serienfertigung sicherzustellen.
Dabei ist die Permeabilität ein reiner Materialkennwert des Textils, der sich mit Hilfe
des Gesetzes von Darcy nach Gleichung 1
berechnen lässt:
Dipl.-Ing. (FH) Jan Glück
[email protected]
v
Leiter Elektronik
Dr. Manfred Bobertag
Geschäftsführer
K
PMB Bobertag GmbH, Kaiserslautern
Prof. Dr. Peter Mitschang
η
Technisch-Wissenschaftlicher Direktor
Dipl.-Wirtsch.-Ing. David Becker
Fließfront
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Faserstruktur
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH,
TU Kaiserlautern
168
Abb. 1:
Skizze zur Verdeutlichung der Formelzeichen
ΔL; ΔP
GAK 3/2015 – Jahrgang 68
v=
K
· ΔP
η ΔL
1
Dementsprechend ist die Fließgeschwindigkeit v der Matrix proportional zum Quotienten
aus Permeabilität K des Textils und Viskosität η
der Matrix sowie proportional zum Druckabfall
ΔP über die Fließstrecke ΔL (Abb. 1).
Beim RTM wird ein textiles Halbzeug (Preform) trocken in das zweiteilige Werkzeug
eingelegt. Nach dem Schließen des Werkzeugs wird die Matrix unter Druck in das
Halbzeug injiziert. Dabei durchströmt die
Matrix die Textillagen bis das Werkzeug gefüllt und das Halbzeug vollständig durchtränkt ist. Das Harzsystem beginnt zu härten
und bildet mit dem Textil als Verstärkungsstruktur das Bauteil. Nach der vollständigen
Aushärtung kann das Werkzeug geöffnet
und das fertige Bauteil entnommen werden.
Hierbei ist besonders zu beachten:
Es muss sichergestellt werden, dass das
Halbzeug vollständig imprägniert ist und es
keine trockenen Stellen (dry spots) gibt, denn
damit wäre das Bauteil unbrauchbar. Außerdem muss die Füllung der Form gleichmäßig
erfolgen, sodass nicht an einem Ende bereits
die Matrix aus der Entlüftung heraus läuft
und andere Stellen noch trocken sind.
Der Imprägniervorgang soll möglichst kurz
sein. Die Automobilindustrie strebt Taktzeiten von 2 min pro Bauteil an! Das heißt, die
Prozessparameter für unterschiedliche Bauteile müssen individuell angepasst werden,
damit die Injektion textilgerecht vorgenommen werden kann. Bei der Auslegung der
Form sollten die Positionen von Angüssen
und Entlüftungen gemäß den Imprägniereigenschaften (bestimmt durch Bauteilform
und Textil mit seiner Permeabilität) geschickt
platziert werden. Dazu muss bekannt sein, wie
sich die Matrix während der Injektion im Textil ausbreitet. Durch Simulation kann dies vorab sehr gut veranschaulicht werden, wenn der
Textilparameter Permeabilität als Eingangsgröße bekannt ist.
Die Permeabilität ist also eine wichtige Eigenschaft des Textils. Textilien werden zunehmend mit bestimmten Permeabilitäten gefordert. Da sich dieser Kennwert des Textils durch
falsche Handhabung ändern kann, muss er
über die gesamte Kette von Textilentwicklung,
Herstellung des Textils, Transport und Handhabung bis zur Verarbeitung im Rahmen einer
Qualitätssicherung (QS) überwacht werden.
3. Berechnung der Permeabilität
Um die Permeabilität zu ermitteln kann
das Gesetz von Darcy erweitert und nach der
Permeabilität K umgestellt werden. Für die
Berechnung wird dann vor allem die Fließfrontposition über die Zeit benötigt:
K=
χƒƒ2 · Φ · η
2 · Δp · tƒƒ
mit
K: Permeabilität
χ: Position der Fließfront
Φ: Porosität
η: Viskosität
Δp: Druckabfall
t: Zeit
2
Dabei wird die Porosität Φ durch den Faservolumengehalt (FVG) der Textillagen in
der Kavität bestimmt. Die temperaturabhängige Viskosität η wird im Vorfeld bestimmt
und die Temperatur während der Messung
aufgezeichnet.
Die Genauigkeit der Berechnung hängt davon ab, wie gut die Fließgeschwindigkeit, also
der Fließweg der Matrix über der Zeit, erfasst werden kann. Eine Studie von Grössing
et al. zeigt, dass die kapazitive Messtechnik
alle Anforderungen für einen robusten und
vergleichbaren Messablauf erfüllt [2]. In ihrer
Studie werden zwei baugleiche Permeameter
verglichen und bewertet, die an unterschiedlichen Instituten unabhängig voneinander
betrieben werden. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass die Abweichung der Messungen
der beiden Institute geringer ist als die Abweichungen der Messungen untereinander
an einem der Institute. Das heißt, die kapazitive Messtechnik bietet die Möglichkeit untereinander vergleichbare Messsysteme herzustellen, die reproduzierbar vergleichsfähige
Messwerte liefern – eine wichtige Voraussetzung für ein von der Industrie gefordertes
standardisiertes Messverfahren. Gleichzeitig
kann die Technologie auch in Stahlwerkzeugen eingesetzt werden. So kann verhindert
werden, dass das Messergebnis durch eine
Werkzeug-Durchbiegung verfälscht wird.
Die Permeabilität hängt wie eingangs erwähnt vom Faservolumengehalt ab. Daher
sollte die Prüfung der Textilien idealerweise
in der Stapelung (Stack) erfolgen, die auch
später bei der Bauteilherstellung verwendet
wird. Abbildung 2 zeigt an einem Textil diesen Zusammenhang zwischen FVG und Permeabilität.
1E-10
K1 Permeabilität / m2
4. Grundlagen der kapazitiven
Fließfrontdetektion
Die Funktionsweise der kapazitiven Fließfrontdetektion lässt sich an einem Plattenkondensator veranschaulichen, denn der kapazitive Sensor ist genau das (Abb. 3). Die
Kapazität C des Plattenkondensators ist gegeben durch:
1E-11
43 %
GAK 3/2015 – Jahrgang 68
48 %
Faservolumengehalt / FVG
53 %
Abb. 2:
Hexcel 1102 – 5
Messungen pro FVG
A
C = ε0εr ·
d
3
169
Schnelle Permeabilitätsmessung
Das bedeutet, die Kapazität C ist groß,
wenn die Fläche A der Kondensatorplatten
groß ist und sie ist umso größer, je geringer
der Abstand d der Platten zueinander ist.
Außerdem hängt sie von der Permittivität
ε ab, die wiederum aus zwei Teilen besteht:
dem ε0 für Vakuum und dem εr des Dielektrikums, also der Füllung zwischen den Kondensatorplatten. Wird nun das εr verändert,
so ändert sich auch die Kapazität. Genau
dies machen wir uns bei der Fließfrontdetektion zu Nutze. Mittels einer elektronischen
Schaltung wird ein der Kapazität des Sensors
(Plattenkondensator) proportionaler Wert
ermittelt, das Kapazitätsäquivalent. Wird
der Sensor von der ankommenden Fließfront
überstrichen, so ändert sich das Kapazitätsäquivalent proportional mit der bedeckten
Sensorfläche und diese Änderung wird gemessen.
Vergleichsmedium Speiseöl, überströmten
Sensorfläche. Ein typischer zeitlicher Verlauf des Fließwegs ist in Abbildung 5 dargestellt.
6. 1D-CapaPerm als kapazitives
Schnellmesssystem
Das 1D-CapaPerm ist ein Messsystem zur
schnellen Prüfung der Permeabilität von Textilien für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe wie glasfaserverstärkte oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (GFK und
CFK). Damit steht ein Komplettpaket zur
Quantifizierung der Durchlässigkeit von Textilien für Polymere im Harzinjektionsprozess
zur Verfügung. Es ist der kleine Bruder des
2D-CapaPerm-Permeameters, das sich eher
an Anwender aus F + E richtet.
Die Messung basiert auf der Verfolgung der sich eindimensional ausbreitenden Fließfront eines in das Textil injizierten
Messfluids. Die Ausbreitung wird dabei über
200 mm kontinuierlich durch speziell entwickelte kapazitive Liniensensoren erfasst.
Ein zusätzlicher Punktsensor ermöglicht die
Erkennung von Unregelmäßigkeiten, z. B.
durch Randeffekte, und garantiert so eine
Abb. 3: Plattenkondensator
A
d
ε
5. Kapazitive Fließfrontdetektion
Abb. 6: Systemübersicht 1D-CapaPerm
Kondensatorplatte
Verstärkungstextil
Isolierung
Abb. 4:
Situation im Werkzeug
300
250
Fließweg / mm
Die kapazitiven Sensoren sind bündig in
das Unterwerkzeug eingelassen und stellen
jeweils eine Platte (Elektrode) des Kondensators dar (Abb. 4). Wird nun das Werkzeug
ohne eingelegtes Textil bis auf einen sehr
kleinen Spalt (Kavität) geschlossen, so bildet
die Oberform die zweite Platte (Gegenelektrode) des Kondensators. Befindet sich zwischen Ober-und Unterform ein Glasfasertextil, so bildet ebenfalls die Oberform die
Gegenelektrode. Bei Kohlenstofffasern sieht
es etwas anders aus: Da Kohlenstofffasern
elektrisch leitend sind, wird die Gegenelektrode nun vom Kohlenstofftextil gebildet.
Bei beiden Varianten ändert sich das gemessene Kapazitätsäquivalent proportional mit
der von der Matrix, Epoxidharzsystem oder
200
150
100
50
Abb. 5:
Typischer zeitlicher
Verlauf des Fließwegs
0
0
200
400
600
800
1000
Zeit / s
1200
1400
1600
1800
Abb. 7: Unterwerkzeug mit Rahmen
Software
Punktsensor
1D-CapaPerm
Liniensensor
Erfassungselektronik
Drucksensor
Plattenwerkzeug
170
GAK 3/2015 – Jahrgang 68
direkte Prüfung der Gültigkeit des Messversuchs. Das komplette System ist auf hohe
Automatisierung ausgelegt, um einfachste
Bedienung und Prozesssicherheit zu gewährleisten (Abb. 6).
Durch das System 1D-CapaPerm können
Textilien, die einen akzeptablen Permeabilitätsbereich überschreiten, sofort aussortiert
werden. So werden eine störungsfreie Produktion mit minimalem Ausschuss und eine
hohe Bauteilqualität sichergestellt. Dies ist
eine Voraussetzung für den Einsatz von CFK
bspw. in der automobilen Großserienfertigung. Die Messung und Kenntnis der Permeabilität ist zudem ein wichtiger Faktor für die
Materialauswahl, die Wareneingangskontrolle
und als Input für Prozesssimulation und somit
auch für die Auslegung von Prozessen und
Werkzeugen entscheidend.
Das Werkzeug des Prüfsystems besteht aus
einer Ober- und einer Unterform aus Aluminium, welche mit Schrauben oder Schnellspannern zusammengepresst werden. Die
Abmessungen betragen 390 x 250 x 68 mm³
ohne Standfüße. Passschrauben gewährleisten die korrekte Ausrichtung der Formhälf-
ten. Die Kavitätshöhe ist mittels rechteckiger
Auflegerahmen einstellbar. Auf diese Weise
lassen sich verschiedene Faservolumengehalte (FVG) realisieren. Für Demonstrationszwecke wurde ein Plexiglasdeckel angefertigt, sodass die Fließfront beobachtet werden
kann (Abb. 7 – 10).
Punktsensor am Rand der Kavität platziert.
Mit Hilfe dieses Punktsensors wird der Race
Tracking Factor (RTF) bestimmt, welcher ein
Maß für die Krümmung der Fließfront darstellt. Bei zu großem RTF signalisiert die Software, dass die Messung ungültig ist und wiederholt werden muss (Abb. 13).
7.
8. Fazit
Software wichtiger
Systembaustein
Die Auswertesoftware bietet zwei Methoden der Permeabilitätsberechnung. Einerseits
wird die Differenz der Fließfrontposition in
definierten Zeitintervallen benutzt (Abb. 11).
Auf diese Weise wird die Permeabilität für
jeden Zeitschritt berechnet. Andererseits
wird der quadrierte Fließweg über die Zeit
aufgetragen, was idealerweise zu einer geraden Linie führt (Abb. 12). Diese Linie wird
dann durch eine Regressionsgerade angenähert und aus der Steigung der Geraden wird
die Permeabilität berechnet. Diese Methode
führt zu einem mittleren Permeabilitätswert
der gesamten Messung. Da beide Methoden
von einer möglichst geraden Fließfront abhängen (parallel zum Linienanguss), wird ein
Anguss
Oberform
Rahmen
Kavität
Liniensensor
Abb. 9: Unterwerkzeug aus Aluminium mit beschichteten Linien- und Punktsensoren
GAK 3/2015 – Jahrgang 68
9. Dank
Wir danken dem Ministerium für Wirtschaft, Klimaschutz, Energie und Landesplanung des Landes Rheinland-Pfalz für die
Auszeichnung des Systems 1D-CapaPerm
mit dem Innovationspreis des Landes 2014.
Es bestätigt uns sehr darin, mit den Permeametern einen wichtigen Beitrag für die
spannenden Entwicklungen der Verbundwerkstoffe zu leisten.
Entlüftung
Unterform
Durch 1D-CapaPerm können erstmals in
einem voll industrietauglichen Schnelltest
mit wenig Aufwand Textilien, die einen akzeptablen Permeabilitätsbereich überschreiten, einfach und präzise erkannt werden. Die
Messung der Permeabilität ist ein zunehmend wichtiger Faktor für die Materialauswahl, die Wareneingangskontrolle und unabdingbarer Input für Prozesssimulation und
somit auch für die Auslegung von Prozessen
und Werkzeugen. Daher ist 1D-CapaPerm ein
wichtiger Beitrag zur breiten Nutzung des
Leichtbauwerkstoffs CFK in der Großserienfertigung.
Abb. 8:
Halbschnitt des
geschlossenen
Werkzeugs
Wir danken auch unserem Kooperationspartner Institut für Verbundwerkstoffe
Abb. 10: Spezieller PMMA-Deckel macht Fließfront sichtbar
171
Schnelle Permeabilitätsmessung
GmbH (IVW) für die gute Zusammenarbeit
und freuen uns sehr auf weitere spannende Projekte.
[2] H. Grössing, D. Becker, S. Kaufmann,
R. Schledjewski, P. Mitschang, „An evaluation of the reproducibility of capacitive sensor
based in-plane permeability measurements“,
Ebenso danken wir der AIF für die Förderung des Projekts „Westaperm – Weiterentwicklung und Erweiterung der 2D-Messzelle
zur standardisierten Bestimmung der Permeabilität textiler Faserstrukturen” im Rahmen
des ZIM-Programms.
Express Polymer Letters 9/2 (2015),
Diese Veröffentlichung beruht auf
einem Vortrag anlässlich der 8. International Textile Conference Aachen-Dresden,
27. – 28. November 2014, Dresden
129
[3] P. Mitschang, H. Stadtfeld, T. Stöven, F. Weyrauch, M. Latrille, M. Louis, M. Neitzel, G. Beresheim, Grundlagen der Verarbeitungsprozesse,
Handbuch Verbundwerkstoffe, Carl Hanser Ver-
Das System 1D-CapaPerm wurde vom
Land Rheinland-Pfalz durch die Verleihung des Innovationspreises 2014
gewürdigt.
lag, München, 2004
10. Literatur
[1] R. Lässig, M. Eisenhut, A. Mathias, R. Schulte,
F. Peters, T. Kühmann, T. Waldmann, W. Begemann, „Serienproduktion von hochfesten Faserverbundbauteilen. Perspektiven für den
deutschen Maschinen-und Anlagenbau.“,
Roland Berger Strategies, VDMA, Nov. 2012
Abb. 11:
Kapazitätsäquivalent
über die Zeit
Abb. 12: Quadrierter Fließweg über die Zeit
Abb. 13: Permeabilität über die Zeit. Farbliche Korridore repräsentieren die einstellbaren Grenzwerte für die Permeabilität. Grüne LEDs signalisieren, dass
die Grenzwerte eingehalten werden, z. B. für QS-Anwendungen.
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