Selbstadaptierendes Zuschnittsystem und prozessbegleitende Qualitätssicherung im CFK-Verarbeitungsprozess

Die Entwicklung effizienter Leichtbaulösungen führt branchenübergreifend zu einem verstärkten Einsatz von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Der breiten industriellen Anwendung von Leichtbaukomponenten auf Basis von CFK stehen aktuell jedoch oftmals fertigungstechnische Herausforderungen gegenüber, da die Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen nach wie vor zu großen Teilen in manuellen Arbeitsschritten erfolgt. Ein großflächiger wirtschaftlicher Einsatz von CFK ist ohne Weiterentwicklungen im Bereich der Produktionstechnik nicht möglich. Schwerpunkte hierbei sind die Aspekte Automatisierung, Reproduzierbarkeit und Qualitätssicherung.

Motivation

Das hohe Werkstoffpotential von Faserverbundwerkstoffen kann nur bei beanspruchungsgerechter Auslegung in Verbindung mit einer kraftflussgerechten Faserorientierung genutzt werden. Fertigungsbedingte Einflüsse, insbesondere während des Preformings, können jedoch zu Abweichungen der vorher definierten Faserorientierung und in Folge zu veränderten Bauteileigenschaften führen. Die Korrektur derartiger Abweichungen sowie die Qualitätsüberwachung erfolgen in zusätzlichen, zeit- und kostenintensiven Fertigungsschritten; hohe Ausschussquoten führen teilweise zu erheblichen Mehrarbeiten. In diesem Zusammenhang können intelligente selbstadaptierende Produktionssysteme mit integrierter Qualitätssicherung einen entscheidenden Beitrag leisten, durch eine verbesserte Reproduzierbarkeit Ausschussquoten zu verringern und die Produktivität zu steigern.

Lösungshypothese

Der im Rahmen des Vorhabens verfolgte Lösungsansatz beinhaltet die erstmalige Realisierung eines selbstadaptierenden Zuschnittsystems unter Nutzung einer integrierten optischen Prozessüberwachung. Weiterhin soll ein prozessintegriertes Wirbelstromsensorsystem erarbeitet werden, welches die Möglichkeit zur Detektion relevanter Qualitätsmerkmale auch in den Innenlagen textiler Preformen bietet und somit eine entscheidende Lücke bei der Qualitätssicherung im CFK-Verarbeitungsprozess schließt. Mit den Forschungsarbeiten werden die produktionstechnischen Voraussetzungen für eine fehlerfreie Verarbeitung textiler Verstärkungshalbzeuge zu Faserverbundkomponenten mit höchsten Qualitätsstandards geschaffen. Hierbei stellt die Quantifizierung von Qualitätsmerkmalen und deren Dokumentation einen deutlichen Fortschritt gegenüber heute praktizierten visuellen Qualitätskontrollen dar, die zum einen subjektiver Natur sind und zum anderen lediglich qualitative Aussagen liefern. Zur Validierung der entwickelten Messsysteme werden umfassende Prozessstudien an einem Demonstratorbauteil sowie Analysen der resultierenden textilen Strukturmerkmale durchgeführt.