FiberScan

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie

In-situ-Qualitätssicherung bei der Herstellung von Faserverbundkunststoff-Bauteilen

Faserverbundkunststoffe gewinnen in produzierenden Unternehmen an Bedeutung, da durch diese Werkstoffe Gewichtseinsparungen und somit ressourcen- und energieeffiziente Produkte der Zukunft möglich werden.

Das Verbundprojekt »FiberScan« leistet einen Beitrag zum Forschungsschwerpunkt »energieeffizienter Leichtbau« im Rahmenkonzept »Forschung für die Produktion von morgen« des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Das Projekt wird vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT), betreut.

Motivation

Recyclebare Leichtbauprodukte und deren energieeffiziente Produktion bieten der deutschen Industrie die Möglichkeit, Ressourcen zu schonen und CO2-Emmisionen zu reduzieren. Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) ermöglichen, bei verbesserten mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften im Vergleich zu Stahl und Aluminium, eine Gewichtsersparnis bis zu 70 Prozent. Mit dem laserunterstützten Thermoplast-Tapewickeln steht ein Verfahren zur Verfügung, derartige Strukturen energieeffizient zu fertigen. Aufgrund fehlender Qualitätssicherungsmaßnahmen ist die Prozesssicherheit dieses Verfahrens im Vergleich zu anderen Prozessen allerdings noch zu gering. Dies stellt gerade bei der Fertigung sicherheitskritischer Bauteile, wie Druck-, Kraftstoffbehälter oder Pipelinerohre ein Problem dar.

Ziel 

Ziel des Projekts »FiberScan« ist die Integration einer robusten messtechnischen Lösung in den laserunterstützten Thermoplast-Tapewickel-Prozess zur Herstellung von Druckbehältern. Dadurch kann eine Prozessregelung mit einer gleichzeitigen Qualitätssicherung kombiniert und sowohl die Energie- und Ressourceneffizienz des Herstellungsprozesses gesteigert, als auch die Durchlaufzeit verkürzt werden. Als Messverfahren zur Prozessregelung kommt dabei innovative optische Messverfahren zum Einsatz. Sie wird bislang fast ausschließlich im biomedizinischen Bereich verwendet, bietet aber durch eine sehr hohe Auflösung und der Möglichkeit von Schichtanalysen großes Potenzial als neue Prozessmesstechnik. Im Herstellungsprozess können  typische Fehler wie z.B. die Überlappung mehrerer Tapebahnen oder Lücken zwischen diesen vermieden werden. Die Qualitätssicherung kann parallel zur Prozessregelung ebenfalls während und direkt nach der Materialverarbeitung erfolgen. Dadurch können manuelle Messprozesse nach der Bauteilbearbeitung vollständig entfallen, wie sie bei sicherheitskritischen Bauteilen im Regelfall durchgeführt werden müssen.

Ein ganzheitlicher Ansatz zur Qualitätssicherung bei der Herstellung sicherheitskritischer Bauteile erfordert, über die bereits beschriebenen Maßnahmen hinaus, ein System zum Product Data Management (PDM). Durch dieses System lassen sich betriebswirtschaftliche Rahmenbedingungen mit den technischen Prozesseigenschaften in Verbindung bringen. Durch die automatische Verarbeitung der Messdaten lassen sich diese durch das PDM-System in den Prozess zurückführen. Somit ist es möglich sicherheitskritische Bauteile schon während des Prozesses automatisiert zu zertifizieren.

Zusammenarbeit 

Die Integration der Messtechnik und Implementierung des PDM-Systems erfordert Kompetenzen in den Bereichen der Maschinenentwicklung, Sensortechnik, Automatisierungstechnik und der Softwareentwicklung. Aus diesem Grund setzt sich das Konsortium aus führenden Unternehmen dieser Fachbereiche zusammen.
Die MCS International GmbH ist Hersteller für Gasdruck-Zylinder bzw. -Behälter nach Kundenanforderung und Anwender der Prozesstechnologie. Die AFTP GmbH ist Maschinen- und Anlagenbauer für die Verarbeitung von Faserverbundkunststoffen. Eines ihrer Kompetenzfelder ist die Entwicklung von Regelungs- und Steuersystemen für Tapelege- und Wickelköpfe. Die Precitec Optronik GmbH, spezialisiert auf Systemlösungen für die optische Messtechnik und die Sonotec Ultraschallsensorik GmbH als Anbieter für Ultraschalllösungen, sind Hersteller für innovative Sensortechnik. Die AT - Automation Technology GmbH bietet kundenspezifische Automatisierungslösungen für Thermographiesysteme an. Die Q-DAS GmbH & Co. KG entwickelt qualitätsorientierte Software und ist Anbieter für Softwarelösungen zur Prozessüberwachung. Für wissenschaftliche Fragestellungen im Bereich der Prozesstechnologie und der Prozessmesstechnik steht den Industriepartnern das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT zur Seite.

Projektträger

Projektträger Karlsruhe
Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT)
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Projektkoordination

AFPT GmbH
Dr.-Ing. Patrick Kölzer
Trinkbornstr. 15-17
56281 Dörth

Projektpartner

Precitec Optronik GmbH
Dr. Markus Kogel Hollacher
Unterortstr. 48
65760 Eschborn

SONOTEC Ultraschallsensorik GmbH
Prof. Dr. Peter Holstein
Nauendorfer Str. 2
06112 Halle

AT - Automation Technology GmbH
Dr.-Ing. André Kasper
Hermann-Bössow-Str. 6-8
23843 Bad Oldesloe

Q-DAS GmbH & Co. KG
Dr.-Ing. Edgar Dietrich
Eisleber Str. 2
69469 Weinhelm

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Dipl.-Phys. N. König
Steinbachstr. 17
52074 Aachen

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird / wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept »Forschung für die Produktion von morgen« gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

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