Erfassung und Bewertung von Fertigungsfehlern 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.