Minimierter Ausschuss Smartes Handgerät übernimmt CFK-Qualitätskontrolle

Autor / Redakteur: Thomas Götz, Andreas Gebhardt und Dr. Timur Rashba / Peter Königsreuther

In vielen Industriesektoren setzt man auf den Leichtbau mit Faserverbundwerkstoffen. Ein Favorit ist CFK. Doch die Serienfertigung ist nicht so trivial umzusetzen. Eine Erleichterung gibt es aber.

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Ob es bei der spanenden Endbearbeitung von CFK-Bauteilen zu Fehlern kam, ist ohne Hilfsmittel nur unbefriedigend festzustellen. Abhilfe schafft nun dieses handliche Gerät namens AICC 2.0, das auf dem Bauteil platziert wird und Fehler nach ihrer Charakteristik detektiert und anzeigt.
Ob es bei der spanenden Endbearbeitung von CFK-Bauteilen zu Fehlern kam, ist ohne Hilfsmittel nur unbefriedigend festzustellen. Abhilfe schafft nun dieses handliche Gerät namens AICC 2.0, das auf dem Bauteil platziert wird und Fehler nach ihrer Charakteristik detektiert und anzeigt.
(Bild: Fraunofer-IPA)

Moderne Composites wie Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden in verschiedenen Branchen des produzierenden Gewerbes zunehmend eingesetzt. Vor allem im Bereich der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie oder dem Maschinenbau sorgt das Leichtbaupotenzial dieser Werkstoffe für steigende Nachfragen. In diesen Branchen werden meist komplexe CFK-Bauteile in eher geringen Stückzahlen verarbeitet. Der Anteil an Handarbeit ist dabei vergleichsweise hoch. Der Einsatz von CFK im Serienmaßstab bedarf deshalb einer signifikanten Kostenreduktion entlang der gesamten Herstellungskette. Nur so kann der Fertigungsstandort Deutschland langfristig gesichert werden. Ein Glied in dieser Kette ist die Qualitätskontrolle.

Aufwendige Prüfung von CFK-Bauteilen

Bauteile aus CFK werden zwar endkonturnah hergestellt, doch für ein fertiges Produkt sind oft noch spanende Bearbeitungsschritte nötig. Diese betreffen den Bauteilrand (sogenannter Randbeschnitt) sowie die Funktionalisierung durch Bohrungen, Taschen oder Aussparungen.

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Bei dieser Nachbearbeitung der CFK-Bauteile können jedoch spezifische Schadensbilder auftreten. Hierzu zählen insbesondere Ausbrüche am spröd-harten Matrixwerkstoff, in dem die Fasern eigebettet sind, Ausfransungen aufgrund unvollständig geschnittener Fasern sowie Ablösungen(Delamination), die vorwiegend die Decklagen direkt an der Schnittkante betreffen. Dem Markt fehlt es bisher an geeigneten automatisierten Prüfsystemen zur Bewertung der spezifischen Schadensbilder, sodass zum gegenwärtigen Zeitpunkt die Prüfung überwiegend manuell durch den Werker erfolgen muss. Das geschieht etwa mit Unterstützung von Grenzmusterkatalogen. Diese subjektive Bewertung ist jedoch zeitaufwendig und fehleranfällig.

Es besteht also ein Bedarf an Messverfahren und -mitteln, mit denen auf dem Weg zur automatisierten Erfassung und Bewertung der Bearbeitungsfehler an Bohrungen und Fräskanten, die Messungen reproduzierbarer, dokumentierbar und sicherer werden. Um diese Lücke zu schließen, wurde von der Math & Tech Engineering GmbH zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA das Handgerät AICC 2.0 (Automatic Inspection of Cut Carbon) entwickelt.

Aufbau und Funktion des modularen Prüfgeräts

Das Handgerät AICC 2.0 besteht aus zwei Komponenten: Einer Aufnahmeeinheit sowie einer Rechnereinheit. Die Aufnahmeeinheit verfügt über eine integrierte Kamera mit fester Optik und einer Beleuchtungseinrichtung. Durch die modulare Hardware-Architektur ist es möglich, spezifische Aufnahmeeinheiten für die unterschiedlichsten Messaufgaben und Werkstücke zu entwickeln. Per Schnellwechsel derselben kann das Handgerät ohne großen Aufwand an die jeweils erforderlichen Prüfaufgaben adaptiert werden. Denkbar sind beispielsweise besonders kleine Aufnahmeköpfe für schwer zugängliche Messstellen, wie sie im Flugzeugbau vorkommen.

Die Rechnereinheit setzt sich aus einem Embedded Board, einer Batterie, einem Touchscreen sowie weiteren elektronischen Komponenten zusammen.

Zur Detektion und Messung eines Fehlerbildes wird die Aufnahmeeinheit auf dem Prüfobjekt platziert und per Livebild über der defekten Region positioniert. Die Bildaufnahme kann über eine Taste an der Aufnahme- oder der Rechnereinheit gestartet werden. Die Pixel der Defektregion werden mittels Segmentierungsverfahren erfasst. Dann werden Schadensmerkmale wie Fehlergröße, Fehlerart oder Qualitätskennzahlen anhand von Auswertealgorithmen bestimmt. Nach der Auswertung werden die Ergebnisse dem Bediener in einem Ausgabefenster auf dem Touchscreen der Rechnereinheit angezeigt.

CFK-Qualitätskontrolle mit Ansätzen für Industrie 4.0

Die Einbindung des AICC 2.0 in die vernetzte Produktion erfolgt über einen lokalen sowie einen Cloud-basierten Server. Die Umsetzung beider Servertypen geschieht vor dem Hintergrund, eine für die unterschiedlichen Anforderungen der potenziellen Anwender geeignete Möglichkeit hinsichtlich Datenübertragungsrate, Datensicherheit und Investitionsbudget anzubieten. Die Server erweitern nicht nur die Rechenleistung des Embedded-Systems um eine leistungsstarke Auswertung in Echtzeit, sondern binden auch mehrere Prüfgeräte sowie eine zentrale Verwaltung von Statistiken und Berichten mit ein.

Schafft man noch Schnittstellen zu Bearbeitungsmaschinen sowie Bauteilen und entwickelt und implementiert man selbstlernende Algorithmen, können sowohl die Prozesssteuerung als auch die Qualitätskontrolle effizienter werden. Diese Vernetzung zwischen Bauteil und Prüfgerät wird mithilfe von QR-Codes machbar. Dadurch können für Bauteile spezifische Messprogramme definiert und Messprotokolle einem Bauteil eindeutig zugeordnet werden. Eine transparente Rückverfolgbarkeit ist damit kein Problem. Dank der Schnittstelle zwischen Bearbeitungsmaschine und Prüfgerät kann das Messprogramm auch adaptiv angepasst werden – beispielsweise an den Verschleißzustand der eingesetzten Zerspanungswerkzeuge. So können bei neuen Zerspanungswerkzeugen Stichprobenmessungen durchgeführt werden. Umgekehrt kann die durch das Prüfgerät erfasste Bearbeitungsqualität den Bediener auf einen zunehmenden Werkzeugverschleiß oder falsche Schnittparameter hinweisen. Das erlaubt es, den Prozess so zu steuern, zu regeln und zu optimieren, dass es erst gar nicht zum Ausschuss kommt.

Das handliche Prüfgerät AICC 2.0 ermöglicht damit insbesondere den KMU, zu deren täglicher Arbeit die spanende Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen gehört, den Einstieg in die Digitalisierung der Qualitätssicherung ihrer Fertigungsprozesse.

Danksagung

Das Entwicklungsprojekt AICC 2.0 – Vernetztes Handheldgerät zur automatisierten Oberflä-cheninspektion von CFK-Bauteilen – wurde im Rahmen des Förderprogramms „Industrie-4.0-Testumgebungen“ mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom DLR Projektträger betreut. Die Autoren danken dem BMBF für die gewährte Förderung und dem Projektträger für die Unterstützung.

* Thomas Götz, M.Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart. Dipl.-Ing. Andreas Gebhardt ist Leiter der Gruppe Bearbeitungstechnologien am IPA und Dr. Timur Rashba ist Geschäftsführer der Math & Tech Engineering GmbH in Neckartenzlingen.

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