Neuer Sensor spürt Fehler in Leichtbauteilen auf
„Defect Defender“, eine Entwicklung des Werkzeugmaschinenlabors der RWTH, misst die 3D-Geometrie und -Faserorientierung von CFK-Oberflächen.
Leicht und gleichzeitig fest – so wünschen sich die Konstrukteure den Stoff, aus dem sich energieeffiziente Bauteile fertigen lassen. Leichtbauteile aus Carbon-faserverstärktem Kunststoff (CFK) bieten diese Eigenschaften. Sie bestehen aus zwei Komponenten: den hochwertigen Kohlenstofffasern und der Kunststoffmatrix, in der diese Fasern eingebettet sind. Dieser Werkstoffverbund bietet einzigartige Leichtbaupotenziale für zahlreiche Anwendungsbereiche wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder im Automobilbau.
Der zunehmenden Bedeutung des CFK stehen ein sehr geringer Automatisierungsgrad der Fertigungsprozesse und hohe Materialkosten gegenüber. Bisher werden die meisten Bauteile aus Verbundwerkstoffen manuell oder in teilautomatisierten Prozessen gefertigt. Das ist sowohl zeit- als auch kostenintensiv. Um effizienter zu agieren, ist es daher wichtig, Produktionsabweichungen während des schichtweisen Aufbaus zu erkennen und den Prozess automatisch zu korrigieren. Nicht zuletzt wird somit auch die Weiterverarbeitung bereits schadhafter Bauteile vermieden. „An dieser Stelle setzen wir unseren Sensor ein“, erläutert Andre Duffe. Zusammen mit seinem Kollegen Christoph Mersmann beobachtet er, wie ein Roboter mit dem Sensor seine programmierten Bahnen über einem Carbonfaser-Halbzeug zur Ummantelung einer Flugzeugturbine zieht. „Defect Defender“ steht auf der Hightech-Anlage. Der neu entwickelte Sensor kann die 3D-Geometrie und die 3D-Faserorientierung von CFK-Oberflächen messen. Den Prozess verfolgen die beiden Mitarbeiter des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement am Werkzeugmaschinenlabor WZL auf einem großen Monitor, wo die rotierende Turbinenummantelung zu sehen ist. „Besonders die 3D-Faserorientierung ist von essenzieller Bedeutung für CFK-Bauteile, da nur sie entlang ihrer Orientierung die auf das Bauteil wirkenden Lasten aufnehmen können“, beschreibt Christoph Mersmann.
Das Bildverarbeitungs-Team des Werkzeugmaschinenlabors um Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt erforscht seit Beginn des Leichtbautrends neue Ansätze zu einer Automatisierung der Produktion von Faserverbundkunststoffen. „Unser Forschungsansatz ist die Prozessverbesserung durch eine Integration von passender Messtechnik in den Prozess. Mit unserem neuen Sensor, dem Defect Defender, wollen wir eine universell einsetzbare Sensorlösung schaffen, die sowohl zur Fehlerdetektion als auch zur Prozessautomatisierung einsetzbar ist“, so Schmitt.
In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler den Sensor noch leichter und handlicher machen. Ein transportfähiges 3D-Trackingsystem soll dafür sorgen, dass auch von großen Bauteilen in der Produktion schnell 3D-Daten erstellt werden können, wenn kein Roboter zur Verfügung steht. „Es gibt noch viel zu tun. Aber die ersten Industriepartner haben den Sensor bereits erfolgreich eingesetzt und das motiviert natürlich“, bekräftigen die beiden Ingenieure.