碳纤维材料纤维方向的测量和对象碳纤维复合结构方式的制造

摘要

根据本发明，要检查的对象(10)的碳纤维材料的纤维方向根据由要检查的对象反射的光(32)的极化方向来识别。如果例如未极化的光(30)出现在碳纤维(16)上，那么由纤维反射的光在纤维方向上极化(34A，34B)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量碳纤维材料的纤维方向、例如用于质量检查和/或继续处理和用于以碳纤维复合结构方式制造对象的方案。

背景技术

在现代的轻质结构中，越来越多地使用碳纤维以提高所谓的碳纤维复合材料的强度。尤其在由该复合材料构成的安全重要的构件、例如飞机制造、汽车制造等中，正确的位置和正确的走向、即碳纤维的方向对于制成的构件的机械强度和可负荷性具有决定性的意义。在工件的每个点或全部相关的点上需要以确定的精度测量纤维走向或碳纤维所位于的角度。通常，在制造多层碳纤维织物时依次彼此叠加地分层并且分别用专用的塑料浸泡和硬化。该层中的每个必须在纤维走向方面进行评定。因为碳纤维层对于可见光是不透明的，所以必须为每个层单独地分别在施加该层之后执行纤维方向的检查。

纤维方向至今为止以不同的方式测量或者控制，即a)视觉地通过制造人员，b)通过由制造人员施加标记、借助于照相机系统检测标记并且通过相应的软件继续处理照相机图片，和c)通过利用照相机系统记录碳纤维，该照相机系统的像素分辨率当然必须高至使得各个碳纤维以绘图的方式来分辨，从而从图像数据中借助于专用软件能够在图像的每个位置处确定碳纤维的方向。

解决方案a)和b)要求制造人员的合作，并且因此由于已知的主观作用会复现地很差并且易受误差影响。此外，该解决方案是耗时的进而是昂贵的。完全自动化的检查是不可行的。解决方案c)需要所应用的照相机的像素分辨率相对高。除了具有高分辨率的照相机的较高的成本外，在高的像素数量的情况下形成更多的图像数据，该图像数据在帧速率相同的情况下引发更高的图像传输速度以及图像评估的更高的运算能力。更高的数据传输速率和高的运算能力又导致更高的成本。正好相反地考虑，这表示：在成本耗费确定的情况下限制了检查速度。最后这就是说：对于检查碳纤维复合构件的特定的面来说，所允许的成本确定检查速度。另一缺点是如下事实：必须从图像数据中通过软件计算出纤维方向。因此，结果的可靠性和精度显著地取决于软件质量。尤其在用塑料浸泡的织物中，与未浸泡的所谓的“纺织的”织物相比，纤维方向的识别还显著是更不精确的并且不那么可靠。

因此，所期望的是用于测量碳纤维材料的纤维方向的方案或用于以碳纤维复合结构方式制造对象的方案，其克服上述缺点或者在质量货精度相同的情况下实现成本更加适宜的制造。

发明内容

因此，本发明的目的在于：以改进的特性实现用于测量碳纤维材料的纤维方向的方案以及用于以碳纤维复合结构方式的对象的制造。

因此，本发明的目的通过所附的独立权利要求的内容来实现。

本发明利用如下知识：可行的是，要检查的对象的碳纤维材料的纤维方向根据由要检查的对象反射的光的极化方向来识别。如果例如未极化的光出现在碳纤维上，那么由纤维反射的光在纤维方向上极化。光的波长例如位于400至1000纳米范围中。

可行的是，借助于光的极化以绘图的方式测量碳纤维材料、例如碳纤维织物或碳纤维复合材料的纤维方向。因此，根据一个实施例将极化敏感的照相机用作为极化传感器，该照相机记录要检查的对象，以便获得极化方向的位置分辨的检测，进而获得极化方向的位置分辨的扫描。有利的是，对此不需要：极化敏感的照相机的分辨率足以以光学的方式分辨纤维。换而言之，极化敏感的照相机的位置分辨率在照相机镜头的镜头平面中低于所必需的，以便分辨碳纤维材料的表面处的纤维的结构，即镜头的镜头平面中的像素重复间距能够大于例如纤维半径。

附图说明

有利的实施方式是从属权利要求的内容。下面参考附图详细阐述本发明的优选的实施例，其中

图1示出根据本发明的第一实施例的用于测量要检查的对象的碳纤维材料的纤维方向的设备的示意框图，

图2示出根据实施例的作为极性传感器起作用的极化敏感的照相机的示意图，并且

图3示出根据实施例的用于以碳纤维复合机构方式制造对象的系统的框图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一实施例的用于测量要检查的对象的碳纤维材料的纤维方向的设备的示意框图。碳纤维材料例如能够为碳纤维织物，如在图1中通过交叉线给出。当然，其也能够为碳纤维复合材料。在图1中，由碳纤维材料构成的要检查的对象10例如为由碳纤维织物构成的层或叠层，该碳纤维织物例如设置用于在测量之后施加在一个或多个另外的碳纤维层上，以便共同地得到碳纤维复合物。对此同样重要的是，了解碳纤维材料的纤维方向。但是也能够出于其他的理由需要纤维方向。在图1中示例以虚线的放大部12示出要检查的对象10和其碳纤维材料的正面14的前景图。其中，将纤维束16彼此编织成织物18。可替换地，对象已经能够是-具有或没有塑料基体的上述碳纤维层的堆叠，更确切地说为硬化的或尚未硬化的塑料基体的上述碳纤维层的堆叠，即是由碳纤维复合材料构成的中间产物或产物。

图1中的用于测量要检查的对象10的碳纤维材料18的纤维方向的设备通常用20来示出，并且包括光源22、极化传感器24和可选的计算机26以及可选的监视器28。光源22设计用于照亮要检查的对象1。极化传感器24设计用于检测由要检查的对象10反射的光的极化方向，即尤其如下光的极化方向，借助该光通过光源22照亮要检查的对象并且然后在极化传感器24中反射，其中极化方向给出对象10在其被照亮的正面14上的纤维方向。

因此，在构成的状态下，光源22定向成，使得其照亮要检查的对象10。由光源22发射的光30例如未被极化。其例如为卤素灯、白炽灯、LED或诸如此类的。也能够从对象10的不同的方向同时照亮相同的或不同的类型的多个灯，或者借助于其他的设备例如镜、光导纤维或诸如此类的实现从多个方向的照明，即光源能够具有多个灯和/或附加的光引导装置，例如镜等，以便实现从不同的方向照亮对象10，并且以便由此实现由极化传感器24扫描的或朝向其的表面14的更加完全的照明，即避免遮暗等。光30的光谱、例如其平均波长例如位于400至1000nm范围中。特别地，光源22能够为宽带的或窄带的光源。也可行的是，应用单色光源22。优选地，光源22的光谱的半波宽度位于小于或等于100nm的范围中。

一旦光30射到要检查的对象10上，就能积极地察觉到碳纤维材料18的合适的特性，借此后者的对于射到其上的光起到极化的作用。特别地，光30在其在要检查的对象10的碳纤维材料进行反射之后沿着极化方向极化，该极化方向沿着纤维方向在被照亮的表面14处伸展。在示出了来自极化传感器24的方向的对象10的表面14的一部分的俯视图的放大的部分12中，这示例性地针对要检查的对象的两个不同的位置A和B来说明。在位置A处反射的且射到极化的传感器24上的光32具有极化方向34_A，该极化方向平行于纤维束16的纤维方向36_A，该纤维束横交于位置A。在位置B处，纤维方向36_B进而还有平行于此伸展的极化方向34_B在另一方向上伸展，即垂直于方向36_A或34_A，因为位置B示例性地位于其他的纤维束16处。

极化传感器24能够仅以点的方式经由在该点处反射的光32的极化方向测量纤维材料10的纤维方向，或者是行传感器或面传感器或者极化敏感的照相机。在第一次提出的情况下，如果期望的话，例如将操纵器或机器人(未示出)用于以位置分辨的方式扫描纤维方向，以便横向地移动或变化通过由极性传感器24扫描的点或位置，从该点或位置起通过极化传感器24检测反射的光，进而在不同的位置A和B处获得相应的纤维方向测量。

图2示出的是，极化传感器24能够是极化敏感的照相机。根据该实施例，极化敏感的照相机24包括像素阵列38和镜头40以用于将要检查的对象10投影到像素阵列38上。如在图2的对像素阵列38的放大的俯视图42中示出的那样，像素阵列38的像素44例如能够编组成超像素46，从而使得每个超像素46具有像素阵列38的像素44，该像素对于不同的极化方向是敏感的，即第一极化方向的至少一个第一像素和与其不同的第二极化方向的第二像素。图2示例性地示出：每个超像素46例如具有四个像素44，该像素对于极化方向是敏感的，该极化方向彼此以45°角度差地相互隔开。具有不同的极化敏感度的不同数量的像素当然同样是可行的，同样如该像素的极化方向的非等间距的分布。需要指出的是，不重要的是：如图2中示出的那样，像素是否规则地成行和列地、以其他的规则的布局或不规则地布置，并且在超像素46之内的像素的布置是否是相同的，或者超像素46之内的对于不同的极化方向敏感的像素的布置经由像素阵列38变化。同样也可行的是，超像素46不规则地在行和列的方向上布置，而是其此外也能够规则或不规则地布置。

通过极化传感器24进行的扫描不局限于点状的或面状的扫描，如已经在之前描述的那样。也能够考虑逐行或一维地在被照亮的正面14上扫描要检查的对象10的碳纤维材料的纤维方向。在此也能够应用对象10和极化传感器24之间的相对运动，以便整体上实现二维地扫描纤维方向。

极化传感器24还能够具有滤波系统，以便从反射的光32中滤除特定波长的光、例如400至1000nm之间预先提及的范围中的波长的光。像素阵列38例如能够具有由光敏感的区域构成的阵列，经由该阵列又存在有由滤波器结构构成的阵列，使得每个光敏感的区域连同滤波器结构得到像素。连接在各个光敏感的区域上游的滤波器结构例如能够是格栅结构。特别地，可行的是，滤波器结构具有如下尺寸的结构元件，该尺寸位于子波长范围中，即小于光30的波长。滤波器结构能够具有光子晶体的特性。光敏感的区域和滤波器结构能够共同地集成在芯片中。光敏感的区域例如能够通过光电二极管阵列、CCD阵列或CMOS像素阵列形成。这种极化传感器例如在DE 102008014334中描述。

极化传感器24也能够由商用的CCD或CMOS图像传感器、即极化不敏感的传感器、即单个传感器、行传感器或图像传感器和布置在传感器和对象10之间的用于持续或分级地转动光32的极化方向的设备、即极化滤波器构成，该极化滤波器的穿通极化方向随时间变化。用于转动光的极化方向的设备或具有变化的穿通极化方向的极化滤波器能够实现：依次地、即时间上连续地记录多个图像，并且将图像彼此以适当的方式结算，以便以该方式获取表面14的任何部位处的局部的极化角度。

如在图1中示出的那样，设备20可选地能够具有计算机26和显示设备28。计算机26例如能够设置用于在极化传感器24作为面传感器的设计方案的情况下转换成适当的等级值、即每超像素一个或多个像素值，此外，该等级值是在表面14的与超像素相关联的位置处的反射光32的局部的极化角度的度量或者是在该位置处的纤维方向的度量。于是，在显示设备上能够以色彩编码的方式显示纤维方向的位置分辨的扫描。计算机26或在其中运行的程序还能够驱控用于在对象10和极化传感器24之间产生相对运动的前述可选地存在的操纵器48。

计算机26尤其也能够作用为控制装置，该控制装置从对象10的碳纤维材料的经由极化传感器24测定的纤维方向和关于对象10的位置信息中确定对象10的纤维方向关于对象10的造型或形状的取向，并且取决于该取向地驱控保持对象的操纵器。换而言之，控制装置能够取决于关于对象10相对于极化传感器24的位置的位置信息和对象的纤维方向地控制用于保持和改变对象的位置的操纵器，以控制用于将该对象和另一对象叠加的操控器，以至于在彼此叠加的状态下，纤维方向相对于另一对象具有预先确定的取向，和/或取决于关于对象10相对于极化传感器24的位置的位置信息和对象的纤维方向地确定纤维方向相对于对象10的造型的取向。彼此叠加能够进行为，使得侧面14在彼此叠加的状态下贴靠对象，更确切地说，例如使得纤维方向相对于另一对象的相应朝向的侧面的特征的优选方向、例如同样相对于碳纤维方向具有预先确定的方向关系，例如横交于此地伸展。当然，上面提及的操纵器也能够是如下操纵器，该操纵器在检测极化方向进而检测纤维方向时将对象保持在通过位置信息限定的位置处。下面，对此在制造系统的范围内描述实例。

图3示出根据实施例的用于以碳纤维复合机构方式制造对象50的系统的框图。通常用52表示的系统应用或者包括图1的设备20以及操纵器或机器人54。设备20如所描述的那样与碳纤维层56的纤维方向的测量一致。机器人54在此设计为，将碳纤维层56在校正其彼此间的碳纤维方向的情况下根据通过设备20进行的测量彼此叠加，以便以该方式得到对象50。例如，能够设有控制装置，该控制装置驱控机器人54，并且评估经由反射的光的极化方向确定的碳纤维方向。

控制装置58例如驱控操纵器或机器人50，使得设备20能够确定碳纤维层56的纤维方向，即照亮对象10并且处于极化传感器24取景器中。在检测极化方向时该了解对象相对于极化传感器的位置和检测极化方向的情况下，控制装置58随后获得关于纤维方向相对于对象10的形状或造型的取向的认知，并且例如能够驱控机器人54，使得将当前的碳纤维层56置于已经彼此叠加的另外的碳纤维层60上，以至于当前要安置的碳纤维层56的纤维方向与当前露出的碳纤维层的纤维方向具有预先确定的角度，该角度例如引起对象50的尤其稳定的形状。对象50例如在图3中给出的那样为船的船身或者为飞行器体的一部分或机动车的一部分。

在图3中用虚线盒60标注的且必要时同样通过控制装置58控制的装置60能够对此设置为，为碳纤维层配备塑料，使得碳纤维层在塑料硬化之后嵌入塑料、所谓的基体中。为碳纤维层配备塑料能够单独地在相应地安置相应的层之前进行，单独地分别在安置相应的碳纤维层之后或者为多个碳纤维层共同地在一个步骤中在其彼此叠加地安置之后进行。

在上述实施例中，有利的是直接获得关于纤维方向的信息，而不依赖于图案识别或者诸如此类的。所测量的极化方向直接地得到在要检查的对象的相应的位置处的纤维方向，并且测量因此能够快速且可靠地执行，并且尤其在图3的情况下不推迟制造。

因此，换而言之，上述实施例基于：碳纤维具有如下特性，部分反射入射的通常未极化的光，并且在此平行于纤维纵向方向地极化。极化表现的特性在上述实施例中使用，以确定纤维方向。对此，应用极化的绘图方式的测量。借助于适合于这种绘图方式的测量的设备，在极化方向方面分析由碳纤维、例如碳纤维织物反射的光。该结果于是直接地显示相应位置处的碳纤维的方向。该设备能够适合于以绘图的方式二维地检测和分析极化光，如已经参考图2所描述的那样，图2示出极化敏感的照相机或“极化照相机”。因此，根据一个实施例，由碳纤维构成的要检查的对象由适当的光源照亮，其中，极化照相机定向到对象上。反射的光的在对象的每个位置上由照相机测量的极化方向直接地给出了在该位置处的碳纤维的方向。光的波长例如能够位于400至1000nm范围中。如上面已经强调的那样，有利地不需要照相机的分辨率高至使得必须详细地识别纤维，以便能够通过软件计算纤维的方向。相反，纤维本身将光在纤维方向上极化并且照相机必须仅能够位置分辨地分析极化。这表示，在图2的情况下，照相机的像素分辨率能够显著低于根据c)的在本申请的说明书导言部分中提出的方法的情况。由于较低的数据速率和较小的计算耗费引起较低的系统成本。或者不同的角度，在成本相同的情况下，在上述实施例的情况下，在相同的时间中能够检查更大面积的碳纤维，这导致在零件检查时的更高的零件数量进而导致更低的零件成本。另外的观点在于，纤维方向的识别基于物理定律进行，并且不通过借助于软件的计算来进行，由此纤维方向的识别是显著更加可靠的。这尤其在用塑料浸泡织物时是适用的，其中至今为止的出自说明书导言部分中的方法c)是相对较差的且运行不精确。

通常，上述实施例能够使用在最不相同的技术领域中。例如能够考虑的是，在轻质结构中使用，在那里将碳纤维加工成所谓的CFK(碳纤维强化的塑料)并且必须确保产品的质量。正如航空和航天、汽车结构、风能设备等。

尽管结合设备描述了一些观点，但是要理解的是，这些观点也表述了相应的方法的描述，使得设备的块或构件也能够理解为相应的方法步骤或者理解为方法步骤的特征。类似于此提出如下方面，结合方法步骤或作为方法步骤描述的观点也表述了相应的设备的相应的块或特征或细节。一些或全部方法步骤能够通过硬件设备(或利用硬件设备)、例如微处理器、可编程的计算机或电子电路来构成。在一些实施例中，一些或多个最重要的方法步骤能够通过这种设备来构成。

在不参考上述的情况下，例如图1的计算机26或者其他的处理装置能够从所获得的极化方向中例如在平行于照相机的图像平面的平面中确定在对象10的表面14的面参数化中确定三维的纤维方向或者纤维方向，其中，计算机或处理装置在对象10的表面14的参数化中将所检测的极化方向与位置相关联并且确定纤维方向，使得该纤维方向在该点中与表面14相切并且位于通过反射的光的方向和确定的极化方向展开的平面中，其中该获得的极化方向二维地在投影中沿着下述方向示出，即反射的方向沿着该方向射到极化传感器24上。当然，也能够刚好对此保证：表面14-例如至少在当前扫描的位置处-基本上垂直于反射的光的方向地定向。

上述实施例至今为止集中在纤维方向的测量上和由此以操作该对象相对于其他对象的定向为目的的认知的利用上。当然，附加地或替选地可行的是，应用关于其他目的的认知，例如以质量控制为目的。碳纤维对于反射的光的极化作用能够用于在制造碳纤维强化的构件器件期间检查碳纤维的方向并且与预先确定的数值比较。不仅在如各个碳纤维层的中间产品处，也能够在制成的构件处执行该检查。尤其能够检查的是，构件或对象中的碳纤维的角度在构件的任何位置处是否具有规定的数值，或者织物中的纤维的相互的定向在任何位置处是否具有规定的角度值。

因此，在图1中例如计算机26也能够用作为分析装置，例如通过相应的在其上运行的软件，并且设备20能够表述为质量测量设备。分析装置能够检测所确定的纤维方向是否满足预先确定的条件，以便当满足时对象10归为质量足够的对象，并且当不满足时对象10归为质量不足够的对象。根据此，分析装置能够促使操纵器将对象10运输至废品对象的位置A或运输至如安装位置那样的位置B。

对是否满足预先确定的条件的检查例如提出将对象的表面14的位置处的纤维方向与相邻的位置比较，例如检查这两个方向之间的角度是否位于预先确定的角度范围中。评估也能够静态地进行：在对象的表面的扫描的位置处建立纤维方向的直方图并且静态地进行检查。例如确定和检查两个模式，这两个模式之间的角间距是否位于预先确定的范围中。

然而，对是否满足预先确定的条件的检查也能附加地或替选地共同包含对象10的特征性的表面方向，例如棱边、主弯曲或表面14的周长。于是能够检查纤维方向是否相对于特征性的表面方向位于预设的角度范围中。特征性的表面方向能够通过分析装置每图案识别自动地识别。自动识别尤其能够根据极化无关地记录对象10来实施。在将照相机应用作为极化传感器24的一部分的情况下这是容易可行的。

最后，还对于上述实施例指出：光源同样能够不是设备或系统的一部分，而是在可能的情况下是环境的一部分。换而言之，能够使用环境光本身。如上面描述的那样，能够因此将极化作用的评估能够限制在例如上述优选的波长范围中，其中，由对象反射的光不仅在极化传感器中在其极化方面分解，而且也在光谱上进行滤波。因此，光谱滤波器的通带尤其能够位于400和1000nm范围中并且具有小于或等于100nm的半波宽度。

根据特定的执行要求，本发明的实施例能够以硬件或软件执行。这首先适用于上述处理设备、控制装置、分析装置等。该执行方式能够在利用数字的存储介质、例如软盘、DVD、蓝光盘、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或者闪存存储器、硬盘或其他的磁或光存储器的情况下执行，在数字存储介质上存储可电读取的控制信号，该控制信号与可编程计算机系统能够共同作用或共同作用，以执行相应的方法。因此数字存储介质能够是可计算机读取的。

因此，根据本发明的一些实施例包括数据载体，该数据载体具有可电子读取的控制信号，该控制信号能够与可编程的计算机系统共同作用，使得执行在此描述的方法中的一个。

通常，本发明的实施例能够作为具有程序代码的计算机程序产品实施，其中程序代码在如下情况下是有效的，即当计算出程序产品在计算机上运行时执行该方法。

程序代码例如也能够存储在机器可读的载体上。

另外的实施例包括用于执行在此描述的方法的计算机程序，其中计算机程序存储在机器可读的载体上。

换而言之，根据本发明的方法的实施例因此是计算机程序，该计算机程序当在计算机上运行时，该计算机程序具有用于执行在此描述的方法的程序代码。

因此，根据本发明的方法的另一实施例是数据载体(或数字的存储介质或计算机可读的介质)，在该数据载体上录下用于执行在此描述的方法的程序代码。

因此，根据本发明的方法的另一实施例是数据流或信号序列，该数据流或信号序列为用于执行在此描述的方法的计算机程序。数据流或信号序列例如能够如下配置，经由数据通信连接、例如经由因特网来传输。

另一实施例包括处理装置，例如计算机或可编程逻辑器件，该计算机或可编程逻辑器件如下配置或调整，即执行在此描述的方法中的一个。

另一实施例包括计算机，在该计算机上安装用于执行在此描述的方法的计算机程序。

根据本发明的另一实施例包括如下设备或系统，该设备或系统设计用于将用于执行在此描述的方法中的至少一个的计算机程序传输至接收器。传递例如能够以电子或光学的方式进行。接收器能够是计算机、移动设备、存储设备或类似的设备。该设备或系统例如能够包括用于将计算机程序传输至接收器的文件服务器。

在一些实施例中，可编程的逻辑器件(例如现场可编程的门阵列，FPGA)能够用于，执行在此描述的方法中的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程的门阵列能够与微处理器共同作用，以便执行在此描述的方法。通常，该方法在一些实施例中从任意的硬件设备的角度执行。该硬件设备能够是通用的硬件、如计算机处理器(CPU)或者该方法的专用的硬件、例如ASIC。

上面描述的实施例仅为本发明的原理的说明。要理解的是，在此描述的布置的修改和细节能够给予其他的本领域技术人员启示。因此有意地：本发明仅通过权力要求的保护范围限制并且不被根据实施例的阐述和描述在此呈现出的具体的细节所限制。