In situ Qualitätssicherung bei der Herstellung von Faserverbund- Kunststoff-Bauteilen (FiberScan)

Problemstellung
Der Einsatz von Faserverbundkunststoffen (FVK) für Druck- und Kraftstoffbehälter birgt großes Potenzial zur Erhöhung der Energieeffizienz im Automobilbereich und Transportwesen. So lässt sich zum Beispiel das Gewicht eines Fahrzeug- oder Gastanks durch die Verwendung von FVK um bis zu 70% reduzieren und damit eine erhebliche Senkung des Kraftstoffverbrauchs erreichen.
Ein neues Verfahren zur energieeffizienten Verarbeitung von FVK ist das laserunterstützte Thermoplast-Tapewickeln. Dabei handelt es sich um ein Wickelverfahren mit einer immer wieder thermisch-verformbaren FVK-Matrix, welches gegenüber existierenden Verfahren viele energie- und zeitaufwendige Bearbeitungsschritte überflüssig macht. Die Einsatzfähigkeit des Verfahrens für die Serienproduktionen, insbesondere der sicherheitskritischen Bauteile, wie Druck- und Kraftstoffbehältern, ist jedoch bislang durch fehlende optische Qualitätssicherungsmaßnahmen eingeschränkt.
Projektziele und Vorgehensweise
Im Verbundprojekt FiberScan wurden umfangreiche Ansätze zur Lösung dieser Herausforderung erforscht. Hierfür wurden zunächst prozessseitige Einflüsse identifiziert und bewertet. Dabei wurden verschiedene Materialien hinsichtlich Ihrer Eignung für das Tapewickeln qualifiziert und in eine Anwendungsmatrix überführt, mit der sich für unterschiedliche Anwendungen das Material bestimmen lässt, welches hinsichtlich der technischen Eigenschaften sowie der Wirtschaftlichkeit optimal geeignet ist. Ein großer Schwerpunkt in FiberScan wurde auf die Qualitätsmerkmale von Bauteilen gelegt, welche im Thermoplast-Tapewickeln produziert werden. Bedingt durch den Fertigungsprozess kommt es zu Deformationen der FVK-Tapes in Form von Gaps und Overlaps. Diese können durch ein Prozessmodell, welches durch die Fa. AFPT zusammen mit dem Fraunhofer IPT erstellt wurde, steuerungsseitig reduziert werden, jedoch ist bei den sicherheitskritischen Bauteilen eine vollständige Messung sowie eine daran angekoppelte Prozessdokumentation unabdingbar.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Für die Qualitätssicherung sowie Prozessregelung wurden verschiedene Messsysteme erforscht und aufgebaut. Hierbei ist das von Fraunhofer IPT und Precitec Optronik entwickelte Optische Kohärenztomographiesystem zur Messung der Überlappbreite sowie zur Lagedetektion von FVK-Tapes zu nennen, welches in den robotergeführten Tapewickelkopf von AFPT integriert wurde. Des Weiteren wurde von Automation Technology ein Thermographiesystem speziell für FVK-Tapes angepasst und ebenfalls in den Prozess integriert. Hierdurch war als zusätzlicher Benefit die Detektion von Tapedefekten wie z.B. Dünnstellen möglich. Abgerundet wurde das Qualitätssicherungskonzept durch eine erweiterte Ultraschallsensorik der Fa. Sonotech, wodurch z.B. Delaminationen in Tapelagen erfasst werden können.
Die massive Datenerhebung ist nur dann wertschöpfend, wenn die im Prozess erfassten Daten verarbeitet und für eine Prozessführung und ¿dokumentation zugänglich gemacht werden. Dazu wurde von der Fa. Q-DAS in einem PDM-Systemansatz erstmalig die Erfassung und Auswertung großer Datenvolumina bei gleichzeitig hohen Datenraten ermöglicht und damit für eine lückenlose QS verfügbar gemacht.
Durch das Verbundprojekt FiberScan steht eine Vielzahl an Methoden und Technologien für die Qualitätssicherung beim thermoplastischen FVK-Tapewickeln zur Verfügung, die entweder als ganzheitliche Lösung oder modular auch auf andere FVK-Produktionsverfahren übertragbar sind, wie z.B. das Thermoplast-Tapelegen oder aber auch im Duroplast-Bereich. Nach Projektende wird konkret mit der marktreifen Integration der Thermographie begonnen, um die bisher etablierte Pyrometrie abzulösen und die Produktqualität beim Thermoplast-Tapewickeln zu erhöhen.
Die Ergebnisse des Projekts werden zunächst für sämtliche Hersteller von Druckbehältern attraktiv sein. Die Produktion von Gasflaschen für Industrie und Medizin sowie Tanks für das Verkehrswesen wird durch diese Entwicklung energie- und ressourceneffizienter werden. Gleichzeitig bietet diese Technologie einen Anreiz, konventionelle Stahltanks durch FVK-Behälter zu substituieren und damit die Energie- und Kosteneffizienz beim Transport durch das geringere Gewicht zu erhöhen.

• AFPT GmbH
• AT-Automation Technology GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Precitec Optronik GmbH
• Q-DAS GmbH
• SONOTEC GmbH