Effects of Detectable Defects (EDD) - Einfluss von Fertigungsfehlern in Automated-Fiber-Placement-Prozessen in dünnwandigen Kohlenstofffaserverbundstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berend Denkena; Professor Dr.-Ing. Sebastian Heimbs, seit 9/2022
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413627151

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Innerhalb des Projekt wurde erstmals die Kopplung einer prozessbegleitenden thermischen Überwachung mit Detektion und Klassifikation von Fertigungsfehlern in Kombination mit einer simulationsgestützten mechanischen Bewertung der resultierende Bauteilfehler umgesetzt und eingehend untersucht. Die dabei entwickelte Methode besteht aus drei Modulen: Der Detektion, Klassifikation und Vermessung von Fertigungsfehlern (nicht ausgehärtet), der Bewertung von Bauteilfehlern (ausgehärtet) und einem Modell der Konsolidierung im Autoklav, dass die Übertragungsfunktion eines Fertigungs- zum Bauteilfehler darstellt. Durch die modellhafte Beschreibung der Konsolidierung kann anhand der Geometrie eines Fertigungsfehlers die spätere Geometrie des Bauteilfehlers im ausgehärteten Bauteil vorab bestimmt und mechanisch bewertet werden. Ein weiterer Fokus lag in der erreichbaren Bewertungsgeschwindigkeit und ob eine „Onlinefähigkeit“, d.h. ohne Anhalten des Prozesses vor der Applikation der nächsten Faserverbundlage, erreicht werden kann. Auch die Abhängigkeiten die sich durch die Kopplung der Einzelmodule ergeben wurden betrachtet. Das Ziel dieser Randbedingungen ist durch eine frühe Fehlerdetektion und schnellen (mechanischen) Bewertung die Nacharbeiten, Korrekturmaßnahmen und den Materialbedarf zu reduzieren und somit einen ökonomischeren und produktiveren Prozess zu erreichen. Die für die Erreichung dieses Ziels benötigten Teilmodule wurden zunächst unabhängig voneinander aufgebaut und untersucht. Für die Erfassung der Fertigungsfehler wurde die Thermographie ausgewählt, da die Änderung der Temperaturleitfähigkeit die durch Fertigungsfehler hervorrufe wird anhand des Temperaturunterschieds thermographisch erfasst werden kann. Vorteilhaft ist, dass eine erhöhte Prozessgeschwindigkeit diesen Temperaturunterschied vergrößert und somit die Detektionsgüte erhöht. Nachteilig wirkt sich die geringe Detailschärfe aus. Innerhalb der Untersuchungen wurde die optische Detektion zunächst anhand von definiert provozierten Fehlern kalibriert. Eine erhöhte Detailschärfe wurde durch die Nutzung mehrere Frames desselben Fehlers mit statistischen Methoden erreicht. Durch die Nachverfolgung einzelner Fehler entlang der gesamten Prozesskette, von der thermischen und optischen Vermessung über die Konsolidierung bis hin zur Fehlergeometrie innerhalb des ausgehärteten Bauteils, konnte der Zusammenhang zwischen Fertigungs- und Bauteilfehler aufgestellt werden. Für das Aufstellen einer Transferfunktion wurden die detektierten und vermessenen Fertigungsfehler mit der Geometrie der Bauteilfehler im ausgehärteten Bauteil, anhand von Schliffbildern und CT-Scans, verknüpft. Aufgrund des bereits vorhandenen Forschungstands wurde der Fokus auf die Bewertung von Fuzzballs und Tow-Twists gelegt. Zur Verarbeitung der einzelnen Frames der thermographischen Überwachung werden Algorithmen der Bildverarbeitung und Mustererkennung genutzt. Die so ermittelte Geometrie der Bauteilfehler wurde zudem als Basis zur parametrisierten Erstellung numerischer Modelle genutzt. Innerhalb von RVE-Betrachtungen wurden die Steifigkeitsparameter der fehlerbehafteten Volumenelemente bestimmt und erste Versuche hinsichtlich des zu erwartenden Versagensverhalten begonnen. Die RVE-Ergebnisse werden vorab berechnet und systematisch aufgearbeitet um eine schnelle Bewertung von generischen Realfehlern zu ermöglichen. Eine Bewertung unter Berücksichtigung der Position im jeweiligen Bauteil und eine Interkation von mehreren im Bauteil verbleibenden Bauteilfehlern kann durch diesen Ansatz derzeit allerdings nicht umgesetzt werden. Das im Rahmen des Projekts entwickelte Gesamtsystem konnte die Forschungshypothese bestätigen: Durch eine prozessbegleitende thermische Prozessüberwachung können die Auswirkungen von auftretenden Fertigungsfehlern im späteren Bauteil (Bauteilfehler) erkannt werden. Darüber hinaus konnte das System seine generelle Onlinefähigkeit für eine prozessbegleitende Überwachung unter Beweis stellen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• An optical-flow-based monitoring method for measuring translational motion in infrared-thermographic images of AFP processes. Production Engineering, 16(4), 569-578.
  Denkena, Berend; Schmidt, Carsten; Timmermann, Marc & Friedel, Andreas
  
• “Impact of automated fibre placement induced defects on the compression behaviour of CFRP structures”, presented at the SAMPE Europe Conference 2022, Hamburg 15.-17. November 2022.
  A. Friedel; S. Heimbs; P. Horst; C. Schmidt; M. Timmermann; F. Hakiri & A. Herwig
  
• Representative structural element approach for assessing the mechanical properties of automated fibre placement-induced defects. Composites Part C: Open Access, 10, 100350.
  Friedel, Andreas; Heimbs, Sebastian; Horst, Peter; Schmidt, Carsten & Timmermann, Marc