Automatisierte zerstörungsfreie Charakterisierung anisotroper Materialien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Kupke; Professor Dr. Markus Sause
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570064252

Der Fokus des Projekts liegt auf der Entwicklung einer fortschrittlichen Methode zur Bestimmung des Steifigkeitstensors (ST) von Verbundwerkstoffen mittels Ultraschallprüfung und Robotersystemen. Diese innovative Strategie zielt darauf ab, die Genauigkeit und Flexibilität der zerstörungsfreien Prüfung zu verbessern, insbesondere bei komplexen Strukturen wie Raketenbooster-Druckbehältern aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK). Eine wichtige Neuerung besteht darin, direkt auf A-Scan-Ultraschall-Rohdaten für das Training neuronaler Netze zurückzugreifen, um Informationsverluste und potenzielle Fehler zu vermeiden, die mit den herkömmlichen Vorverarbeitungsschritten einhergehen. Diese Vorgehensweise wird erwartet, die Genauigkeit der ST-Bestimmung zu erhöhen. Darüber hinaus sollen im Rahmen des Projekts die Klassifizierungsmöglichkeiten für verschiedene Schichtkonfigurationen erweitert werden, über die grundlegenden unidirektionalen, kreuzweise verlegten und fast isotropen Schichten hinaus. Dies schließt die Identifizierung der Aufbaufolge und die Bestimmung des ST für eine breite Palette von Konfigurationen ein, wobei die klassische Laminattheorie angewendet wird, um den homogenisierten ST zu berechnen. Um die Robustheit der maschinellen Lernmodelle sicherzustellen, werden im Projekt Trainingsdaten aus unterschiedlichen Quellen gesammelt, einschließlich experimenteller Messungen und Simulationen mit Dispersion Calculator (DC) und COMSOL Multiphysics Software. Dieser vielfältige Datensatz soll die Genauigkeit und Verallgemeinerbarkeit des Modells verbessern. Die experimentelle Validierung ist entscheidend, wobei die durch Ultraschallprüfung ermittelten ST-Werte mit den Ergebnissen mechanischer Prüfungen und Ultraschallphasenspektroskopie verglichen werden. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der vorgeschlagenen Methode sichergestellt. Ein bedeutender Teil des Projekts ist der Automatisierung der Ultraschallprüfung mithilfe eines Robotersystems gewidmet. Dies beinhaltet die Entwicklung eines Verfahrens zur Durchführung von Polar-Sweeps - Rotationsabtastungen zur Erkennung von Lamb-Wellen aus verschiedenen Winkeln - an Prüfkörpern und letztendlich an Bauteilen in Originalgröße wie Wasserstoffdruckbehältern. Die Forschungsmethodik umfasst den Entwurf und Herstellung von Prüfkörpern mit verschiedenen Schichten, die Charakterisierung dieser Materialien durch zerstörende und zerstörungsfreie Methoden sowie die Entwicklung einer automatisierten Polar-Sweep-Methode zur Datenerfassung. Zur Analyse der A-Scan-Daten werden Techniken des maschinellen Lernens verwendet, um die Signalmerkmale direkt mit den ST-Komponenten in Verbindung zu bringen. Im Rahmen des Projekts ist auch geplant, die Datenerfassung weiter zu automatisieren und die entwickelten Methoden zur Bestätigung des Konzepts auf Bauteile in Originalgröße anzuwenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Armin Huber