Composite-Prüfung Roboter-Duo fühlt Verbundwerkstoffen auf den Zahn

Quelle: Pressemitteilung des IKT der Universtität Stuttgart

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Der Leichtbau mit glas- oder carbonfaserverstärkten Kunststoffen boomt in Zeiten des Energiesparens. Doch wie erkennt man einen Strukturschaden am Bauteil? Hier die Antwort!

Das Roboter-Duo aus James und Maid übernimmt am IKT in Stuttgart die berührungslose Prüfung von faserverstärkten Kunststoffteilen (Composites) per Luftultraschall. So wird ganz sicher deutlich, wie schlimm es um ein Bauteil im Schadensfall wirklich steht.
Das Roboter-Duo aus James und Maid übernimmt am IKT in Stuttgart die berührungslose Prüfung von faserverstärkten Kunststoffteilen (Composites) per Luftultraschall. So wird ganz sicher deutlich, wie schlimm es um ein Bauteil im Schadensfall wirklich steht.
(Bild: IKT)

Werden Faserverbundbauteile (Composites), wie etwa eine Flugzeug-Tragfläche durch Vogelschlag demoliert, sind mögliche Strukturschäden mit herkömmlichen Methoden der zerstörungsfreien Prüfung oft kaum zu erkennen. Zwei neue autonome, aber synchron arbeitende, Forschungsroboter namens James (Joines Automatic Material Evaluation System) und Maid (Mobile Automatic Inspection Device) am Institut für Kunststofftechnik (IKT) sollen Abhilfe schaffen und die Prüftechnik für multifunktionale Hochleistungswerkstoffe automatisieren sowie optimieren.

Luftultraschall offenbart Schadensdimension

Mit leisem Surren hebt James seinen Roboterarm und greift sich einen Werkzeugkopf. Fast tänzerisch bewegt er sich damit frei durch den Raum und platziert das Tool vor einer Glasfaserplatte, in der eine kleine Macke zu erkennen ist, wie die IKT-Wissenschaftler beschreiben. Mit der gleichen Bewegung setzt sich Sekunden später am anderen Raumende Maid in Bewegung und bringt ein entsprechendes Werkzeug auf der anderen Seite der Platte in Position – und zwar direkt gegenüber von James. Gemeinsam rastern die beiden dann die Platte mit Luftultraschall, wobei es kein gelartiges Koppelmittel wie bei der medizinischen Untersuchung braucht, Punkt für Punkt nach Strukturanomalien ab. Minuten später erscheint auf dem Bildschirm nebenan blau auf türkis ein Fleck, der das wahre Ausmaß eines Schadens erkennen lässt. Und der ist weitaus größer und geht viel tiefer in die Struktur der Platte, als man von außen hätte vermuten können.

Wäre das unentdeckt geblieben, hätte es durchaus zu ernsten Problemen in Einsatz führen können.

Händische Prüfmethoden stoßen an ihre Grenzen

James und Maid gehören zu einer flexiblen Dualroboteranlage, die im Rahmen einer DFG-Großgeräteförderung am IKT unter der Leitung von Professor Marc Kreutzbruck errichtet wurde. Zwei typische Butlernamen habe man ihnen gegeben. Und den Experten gewisse Arbeiten abnehmen, sollen die beiden elektromechanischen Schadensschnüffler ja tatsächlich. Denn bisher mussten bei der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall speziell ausgebildete Personen das Prüfteil von Hand abscannen, wie es heißt.

Doch Faserverbundbauteile würden immer größer und ihre Formen komplexer. Die händische Prüfung gerate aufwandsmäßig dann schnell an ihre Grenzen und auch die Konzentrationsfähigkeit des Prüfers lasse mit der Zeit nach, weshalb es zu Fehlinterpretationen kommen könne. Dazu kommt die zunehmende Flexibilität in der Produktion, bei der unter Umständen jedes Werkstück individuell ist und in einer Produktionsanlage seinen eigenen Weg geht, wie die Experten anmerken. Dann muss nämlich auch die Abschlussprüfung an jedem individuellen Werkstück an jedem Punkt im Raum möglich sein.

James und Maid wiegen übrigens je rund vier Tonnen! Doch sie lassen sich auf Luftkissen gut frei im Raum bewegen, betonen die Wissenschaftler. Wo genau sich die beiden gerade befinden, verrät dabei ein laserbasiertes Trackingsystem.

So arbeiten die beiden Robot-Qualitätsprüfer zusammen

James sendet die Prüfsignale, Maid, der dafür mit hochsensibler Messtechnik ausgestattet ist, empfängt sie und wertet sie aus. Die Prüfung umfasst drei Ebenen, führen die IKT-Forscher weiter aus. So könne die Roboterplattform Fehler lokalisieren und auch deren Größe und Struktur bestimmen. Man kann so aber auch Materialien charakterisieren und die Zuverlässigkeit einer Prüfaussage einordnen. Das Roboter-Duo hilft also bei der Entscheidung, ob ein Bauteil betriebstauglich ist, kann aber auch dessen Lebensdauer prognostizieren.

Weitere Prüfmethoden für Composite-Teile in petto

Derzeit untersucht die roboterunterstützte Prüfanlage die Anwendung der relativ neuen Luftultraschallmethode. Diese sei in der Industrie nämlich bisher noch kaum angekommen. Doch verspreche man sich von ihr viel, weil bei diesem Verfahren eben kein Koppelmittel erforderlich ist, das die teilweise komplexen Strukturen von CFK- oder GFK-Bauteilen verunreinigen würde. Das verursache nur Nacharbeitsaufwand. Weitere Prüfmethoden wie die Phased-Array-Ultraschallprüfung, die aktive Thermographie, die Wirbelstromprüfung, die optische Shearografie sowie auch die Radaranwendung, Terahertzverfahren und Vibrationsanalysen sollen im Laufe der Zeit folgen.

Prüfroboter für Composites sollen „intelligent“ werden

Vor allem aber sind James und Maid lernfähig, wie die Wissenschaftler betonen. Künftig sollen sie deshalb ihre Roboterbahn selbst finden, um die zerstörungsfreie Bauteilprüfung vollautomatisiert durchführen zu können. Dazu können die Roboter manuell eingelernt werden, was quasi halbautomatisch passiert, oder per Teaching vollautomatisch. Letzteres gelingt, indem die Bahnplanung aus CAD-Daten am Computer erstellt wird. Das avisierte Ziel ist, ein „intelligentes“ Robotersystem zu schaffen, erklären die Wissenschaftler. Auf diesem Level erfassen die Roboter die Bauteilgeometrie mithilfe von optischen Scannern dann selbst, erstellen vollautomatisch ein Scanmuster und wählen das passende Werkzeug aus. Solche Systeme erlaubten dann nicht nur die automatisierte zerstörungsfreie Prüfung von Bauteilen, sondern lieferten auch wertvolle Erkenntnisse für die kontinuierliche Optimierung des Prüfprozesses an sich.

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Ein einzigartiges Prüfsystem hebt den Wissensstand

Hauptnutzer von James und Maid sind seitens der Universität Stuttgart neben dem IKT die Institute für Flugzeugbau (IFB) und für Intelligente Sensorik und theoretische Elektrotechnik (IIS) sowie die Materialprüfungsanstalt, wie man erfährt. Auch werden im Rahmen von Kooperationen Institute der TU Dresden und der Universität Hamburg die Anlage zur Prüfung von Faserverbundbauteilen nutzen. Partnern im In- und Ausland stehe die Anlage außerdem auch offen. Erste gemeinsame Projekte seien bereits besprochen.

Und Studierende, insbesondere aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik können im Rahmen von Abschlussarbeiten oder als wissenschaftliche Hilfskräfte von der Anlage ebenso profitieren. Das IKT biete dazu die Möglichkeit, selbstständige Prüfungen von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) an einer Plattform durchzuführen, die weit über den Stand der Technik gehe und somit den Blick über den Tellerrand ermögliche.

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