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.
Derzeit entstehen CFK-Konstruktionen immer noch im “Black-Metal-Design”, dem eine klassische Metallbauweise zugrunde liegt. Die Herstellung erfolgt an vielen Stellen noch manuell. Das führt zu hohen Fertigungskosten; das eigentliche Potenzial des Werkstoffes wird nicht ausgeschöpft.
In zwei Gastvorägen berichteten darüber hinaus Jelle Bloemhof von der Airbus Operations GmbH und Dr. Patryk Burka von der Premium Aerotec GmbH von der Verwendung von CFK-Bauteilen in der Industrie. Bei der abschließenden Live-Demonstration in den Forschungshallen konnten sich die Gäste einen Eindruck von der Arbeit des HP CFK Teams machen. Viele intensive Fachgespräche vertieften diese Eindrücke.
Am Dienstag, den 10. Mai 2011, haben die drei niedersächsischen Universitäten Braunschweig, Clausthal und Hannover ihre neue Betriebsstätte am Leichtbaustandort Nummer eins in Europa, in Stade, eingeweiht. Für die ersten der zehn jungen Ingenieurwissenschaftler beginnt damit in diesen Tagen die Arbeit im dort angesiedelten Forschungsverbund “Hochleistungsproduktion von CFK-Strukturen” mit paralleler Doktorandenausbildung. Es gibt sehr viel Anfang und Aufbruch zu würdigen bei der festlichen Auftaktveranstaltung, zu der als Organisator das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover nach Stade geladen hat. Zu den Gästen aus Industrie, Forschung und Politik gehörte auch Professor Martin Wiedemann. Er ist Leiter des Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und damit einer der wichtigsten Forschungsakteure am CFK Nord: Er begrüßt die neuen Nachbarn aus den Hochschulen, die sich der in Stade erprobten, aber bei Universitäten eher noch ungewöhnlichen Mentalität angeschlossen haben, aus den Instituten heraus und dorthin zu gehen, wo die industriellen Forschungsherausforderungen warten. Staatssekretär Dr. Josef Lange (Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur) konkretisierte weiter: “Dieses Vorhaben trägt dazu bei, aus dem Süd-Nord Gefälle ein Nord-Süd Gefälle zu machen”.