EDD – Effects of Detectable Defects: Einfluss von Fertigungsfehlern in Automated-Fiber-Placement-Prozessen in dünnwandigen Kohlenstofffaser-Verbundstrukturen
Die Automated-Fiber-Placement (AFP) Technologie ist ein etabliertes Fertigungsverfahren zur industriellen Herstellung von qualitativ anspruchsvollen Kohlenstofffaserverbund-Strukturbauteilen.
Es wird die Hauptforschungshypothese aufgestellt, dass es bereits während des AFP Prozesses möglich ist, Auswirkungen von auftretenden Fertigungsfehlern im später ausgehärteten Bauteil durch eine prozessbegleitende strukturmechanische Bewertung erheben zu können. Die neu gewonnene Kenntnis über die Beeinflussung von Fehlern wie Gap, Overlap, Fuzzball oder Tow-Twist liefert im Herstellungsprozess eine bisher nicht dagewesene Entscheidungsgrundlage über die Art und Notwendigkeit von Korrekturmaßnahmen. Basierend auf den Erkenntnissen jüngster Forschung auf dem Gebiet der thermografischen Prozessüberwachung werden die notwendigen Informationen zu detektierten und klassifizierten Fertigungsfehlern in Echtzeit bereitgestellt. Damit ist es im Vergleich zu konventionell eingesetzten Methoden der zerstörungsfreien Fehleranalytik (z. B. Ultraschall, aktive Infrarot-Thermografie, Wirbelstrommessung, Röntgen oder Computertomografie) möglich, den Fehlernachweis bereits im Fertigungsprozess zu erbringen und nicht erst, wie derzeit, im Anschluss an die Bauteilfertigung.Hierdurch wird die Fehlerkorrektur deutlich früher möglich und weniger aufwändig. Dies trägt zudem dazu bei, dass die gegenwärtige vollständige Ultraschallprüfung im Anschluss an den Aushärtevorgang deutlich reduziert und nur noch gezielt an kritischen Stellen durchgeführt werden muss. Im Ergebnis führt dies zu einer signifikanten Verbesserung von Produktivität und Prozesssicherheit der AFP-Technologie. Darüber hinaus wird in Verbindung mit entfallenden Aufwänden der nachgelagerten Qualitätskontrolle eine Effizienzsteigerung entlang der gesamten AFP-Prozesskette erreicht.
Der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn besteht in dem generierten Prozesswissen, dass die Bestimmung des Zusammenhangs von Fertigungsfehlern im nicht ausgehärteten Bauteil und den durch Aushärtung resultierenden Bauteilfehlern sowie mechanischen Eigenschaften erlaubt. Die hierfür vorgenommene parametrische Modellierung von unterschiedlichen, produktionsrelevanten Fertigungsfehlern und die einhergehende experimentelle Untersuchung von Fehlermechanismen generieren Wissen über den Einfluss des Aushärtevorgangs auf Fertigungsfehler. Darüber hinaus wird Wissen aufgebaut bezüglich der Modellierung der thermischen Prozessvorgänge beim AFP sowie der Entwicklung von Algorithmen zur Charakterisierung und Quantifizierung von Fertigungsfehlern u. a. auf Basis Maschinellen Lernens.
Ziele des Forschungsprojektes sind somit die grundlegende Untersuchung und Modellierung der Beeinflussung von strukturmechanischen Bauteileigenschaften durch fertigungsbedingte Fehler sowie der Entwurf und die Erforschung von Algorithmen, die es ermöglichen, diese Fertigungsfehler in AFP-Prozessen zu identifizieren, zu charakterisieren und deren Auswirkungen als spätere Bauteilfehler auf die mechanischen Bauteileigenschaften durch eine gekoppelte prozessnahe Struktursimulation zu erheben und zu bewerten. Aus dieser übergeordneten Zielsetzung heraus ergeben sich für die Partnerinstitute folgende Teilziele:
- Die Identifikation und Klassifikation von Fertigungsfehlern in Art und Geometrie durch eine modellgestützte thermografische Prozessüberwachung und Methoden des Maschinellen Lernens, wird vom IFW durchgeführt.
- Die Beschreibung des Einflusses des Aushärtevorgangs auf Fertigungsfehler, sodass spätere Bauteilfehler prognostiziert werden können, wird in Kooperation zwischen dem IFL und dem IFW erarbeitet
- Darauf aufbauend besteht das letzte Teilziel darin, die Erkenntnisse aus den experimentellen Untersuchungen und hochwertigen Modellen in eine schnelle Abschätzung des Einflusses von Fertigungsfehlern im Rahmen einer Online-Bauteilanalyse umzusetzen. Dieses Teilziel wird vom IFL umgesetzt.
Erstmalig wird es dann möglich sein, auf Basis online identifizierter und klassifizierter Fertigungsfehler eine Aussage über die Auswirkungen des Fehlers im Bauteil unter Berücksichtigung der Fertigungs- und Fehlerhistorie zu treffen.
Am Beispiel des Automated-Fiber-Placement wurden die Integrationsmöglichkeiten der neuen Technologie veranschaulicht und die gegenwärtigen produktionstechnischen Herausforderungen, die insbesondere in der prozessparallelen Ablage der Inserts sowie in der Bereitstellung von Materialausschnitten mit flexiblem Konturverlauf liegen, im Kreise von Wissenschaft und Industrie diskutiert. Am Abend hatten dann alle Teilnehmer die Gelegenheit, sich über die aktuellen Forschungsthemen am LKT im Rahmen eines durch Prof. Stommel geleiteten Versuchfeldrundgangs zu informieren.
