Minimierter Ausschuss Smartes Handgerät übernimmt CFK-Qualitätskontrolle

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

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.

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.

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