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Neue Fehlerdiagnostik steigert Effizienz der Produktion von Hochleistungsverbundstrukturen

Neue Fehlerdiagnostik steigert Effizienz der Produktion von Hochleistungsverbundstrukturen

Thermischer Effekt eines Fremdkörpers aus Kohlenstofffasern im Fertigungsprozess

Eine Zukunftsprognose: Die individuellen Struktureigenschaften von CFK-Bauteilen werden schon während ihrer Herstellung durch prozessbegleitende strukturmechanische Bewertung von thermografisch detektierter Fertigungsfehlern vorausgesagt. Die im DFG-Forschungsprojekt „Effects of Detectable Defects“ gewonnenen Kenntnisse über den Einfluss von Bauteilfehlern liefert im CFK-Herstellungsprozess eine bisher nicht dagewesene Entscheidungsgrundlage über die Art und Notwendigkeit von Fehlerkorrekturmaßnahmen. „Damit ist es im Vergleich zu konventionell eingesetzten Methoden der zerstörungsfreien Fehleranalytik möglich, den Fehlernachweis bereits parallel zum Fertigungsprozess zu erbringen und nicht erst im Anschluss an die Bauteilfertigung“, erläutert Projektmitarbeiter Marc Timmermann vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW). Diese neue Fehlerdiagnostik ermöglicht eine Effizienzsteigerung der Produktion durch verkürzte Fertigungszeiten, geringere Prüfaufwände und verbesserte Prozesssicherheit.  

Die Automated-Fiber-Placement (AFP) Technologie ist ein etabliertes Fertigungsverfahren zur industriellen Herstellung von Hochleistungs-Kohlenstofffaserverbund-Strukturbauteilen. In dem interdisziplinären Projekt „Effect of Detectable Defects“ (EDD) mit Beteiligung des Instituts für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) der Technischen Universität Braunschweig und dem IFW an der Leibniz Universität Hannover wurde die Hauptforschungshypothese aufgestellt, dass es bereits während des AFP Prozesses möglich ist, Auswirkungen von thermografisch detektierten Fertigungsfehlern wie Fremdkörpern, Material- und Prozessfehlern im später ausgehärteten Bauteil durch eine prozessbegleitende strukturmechanische Bewertung zeitgleich bewerten zu können.

Basierend auf den Erkenntnissen jüngster Forschung des IFW auf dem Gebiet der thermografischen Prozessüberwachung können über Methoden des Maschinellen Lernens Fertigungsfehler in Echtzeit detektiert und klassifiziert werden. Somit ist es hier gelungen, den Fehlernachweis bereits während des Fertigungsprozesses zu erbringen und nicht wie bisher, im Anschluss des irreversiblen Bauteilaushärtevorgangs mit zerstörungsfreien Methoden der Fehleranalytik. Timmermann: „Nötige Fehlerkorrekturen können noch während des Fertigungsprozesses vorgenommen werden. Das ermöglicht eine deutlich weniger aufwändige und strukturgerechtere Reparatur.“ Das bedeutet auch, dass der Aufwand der Qualitätsprüfung des Bauteils im Anschluss an den Aushärtevorgang deutlich reduziert werden kann.

Aussagen über die Auswirkungen von Fertigungsfehler auf die mechanischen Eigenschaftsänderungen von CFK-Bauteilen sind bisher nicht möglich, sodass jeder Fehler ungeachtet seines Struktureinflusses als kritisch betrachtet und aufwändig entfernt wird. Durch die neue Prozessüberwachungstechnologie können Fehler ohne signifikante Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Faserverbundstruktur im Bauteil verbleiben, was zu einer Verbesserung von Produktivität und Prozesssicherheit der Bauteilproduktion mittels AFP führt. Darüber hinaus wird in Verbindung mit geringeren Zeitaufwänden zur Fehlerkorrektur während der Herstellung und entfallenden Aufwänden der nachgelagerten Qualitätskontrolle, eine Effizienzsteigerung entlang der gesamten AFP-Prozesskette erreicht.

Im Projekt EDD erforschen die Wissenschaftler die Auswirkungen von Fertigungsfehlern auf die Bauteileigenschaften. Timmermann: „Die Zusammenhänge sind kaum erforscht und es gibt bislang wenige wissenschaftlich verwertbare Erkenntnisse.“ Die Zusammenhänge von Fertigungsfehlern vor der Aushärtung, den resultierenden Bauteilfehlern nach der Aushärtung sowie deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils sind Gegenstand der grundlegenden Untersuchungen im Projekt. Dafür werden thermische Prozessmodellierungen und geometrische sowie strukturparametrische Modellierungen von unterschiedlichen, produktionsrelevanten Fertigungsfehlern durchgeführt. Mit einhergehender experimentellen Untersuchung von Fehlermechanismen wollen die Forscher ein Grundlagenwissen über die thermischen Prozessvorgänge beim AFP-Prozess generieren und damit die Möglichkeiten zur eindeutigen Charakterisierung und Quantifizierung von Fertigungsfehlern schaffen.

Auf dem Weg dorthin entwirft das IFW zur Identifikation und Klassifikation von Fertigungsfehlern in Art und Geometrie eine modellgestützte thermografische Prozessüberwachung. In Kooperation von IFL und IFW erfolgt eine Untersuchung und Modellierung des Einflusses des Aushärtevorgangs im Autoklav auf die Fertigungsfehler, sodass spätere Bauteilfehler prognostiziert werden können. Darauf aufbauend wird auf Basis von Erkenntnissen aus experimentellen Untersuchungen und hochwertigen Finite-Elemente-Modellen eine in-situ Abschätzung des Einflusses von Fertigungsfehlern im Rahmen einer gekoppelten, prozessnahen Bauteilanalyse vom IFL umgesetzt.

Erstmalig wird es mit Abschluss des Projekts möglich sein, auf Basis online identifizierter und klassifizierter Fertigungsfehler gekoppelt mit einer prozessnahen Struktursimulation eine Aussage über die Auswirkungen der Fehler im Bauteil unter Berücksichtigung der individuellen Fertigungs- und Fehlerhistorie zu treffen. Dadurch ist es zukünftig möglich, effiziente, an die individuelle Fertigungs- und Fehlerhistorie ausgerichtete, Fehlerkorrekturmaßnahmen systemunterstützt vorzunehmen.

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen Marc Timmermann, M.Sc. am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen unter Telefon +49 4141 77638 205 oder per E-Mail unter timmermann@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.