Online Process Monitoring (OPM)


Dipl.-Ing. Swen Zaremba

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E-Mail: zaremba@lcc.mw.tum.de

Vor dem Hintergrund der Forderung nach steigender Ressourcen- und Systemeffizienz gewinnt das Thema „Leichtbau“ immer mehr an Wichtigkeit. Neben den klassischen Branchen Luft- und Raumfahrt und Windenergie stießen weitere Branchen wie z.B. die Automobil-  und Sportindustrie auf den Markt.

Mit der zunehmenden Verwendung von CFK Bauteilen und dem daraus bedingten steigenden Automatisierungsgrad in der Fertigung steigt die Notwendigkeit der Bauteil- und Prozessüberwachung.

Automatisierte Verfahren wie z.B. das Automated Fiber-Placement (AFP), Infiltrationstechnologien (z.B. LCM, RTM, VARI u.a.) und das Flechten, aber auch die vorgeschalteten Prozesse zur Herstellung der Halbzeuge (wie z.B. Slit Tapes, Tows und bebinderte Rovings) und Preforms reagieren hochsensible auf eine Vielzahl von Prozess- und Umgebungsparametern.

Diese gilt es online zu überwachen, um so gegebenenfalls in den laufenden Fertigungsprozess einzugreifen (Online Process Monitoring (OPM)). Nur so kann die Prozessstabilität, die Qualität und somit auch die Sicherheit in späteren Anwendungen gewährleistet und verbessert werden.

Im Bereich des Automated Fiber-Placement (AFP) zum Beispiel untersuchen wir daher verschiedenste „Monitoring and Control“ Methoden um den Prozess besser zu verstehen und für zukünftige hochvolumige Anwendungen noch stabiler und sicherer zu machen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Prozessmonitoring während des duroplastischen Automated Fiber Placments mit Hilfe einer Thermokamera (links) und eines Laserschnittsensors (rechts) [Quelle: LCC / R. Lichtinger und D. Stelzl]

Im Bereich der Infiltrationstechnologien fokussieren wir unsere Forschungsaktivität derzeitiger auf die Erfassung von Prozessparametern mit faseroptische Sensoren (FOS) (Abbildung 2). Zum Einsatz kommen Faser Bragg Gitter Sensoren (FBG) und Fresnelsensoren mit denen wir die Fließfront und die Viskositätsentwicklung untersuchen.

Abbildung 2: Monitoring während des Infiltrationsprozesses mit Hilfe faseroptischer Sensoren (FOS) [Quelle: LCC / J. Oehlhafen]

Weitere Schwerpunkte bilden der Flechtprozess und das Drapieren. Das hohe Maß der Automatisierungsmöglichkeiten der Prozesse bringt aber gleichzeitig die Forderung der genauen Überwachung mit sich. Um optimale Ergebnisse z.B. der Faserablage zu gewährleisten und auftretende Faserschädigungen zu detektieren werden verschieden Systeme wie z.B. ein bildgebender Faserwinkelsensor und laserbasierende Sensoren eingesetzt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Monitoring des Flecht- und Drapierprozesses [Quelle: LCC / T. Hans]

Neben der Überwachung der Fertigungsprozesse gilt es aber auch die Bauteile während ihres Einsatzes zu kontrollieren. Mit Hilfe des sogenannten Structural Health Monitoring (SHM) können kritische Belastungen, während des Einsatzes, erkannt und so die Sicherheit erhöht und Wartungsintervalle reduziert werden.  Der LCC untersucht dazu die verschiedensten optischen, elektrischen und mechanischen Methoden (wie z.B. Eddy Current Sensorik, Acoustic Emission, Laser- und Infrarot Verfahren) zur Erfassung der relevanten Parameter.

Das langfristige Ziel des LCC ist es, das Process Monitoring mit dem Structural Health Monitoring so miteinander zu verknüpfen, dass zukünftige Sensorgenerationen sowohl im Herstellungsprozess als auch während des späteren Betriebs des Bauteils eingesetzt werden können.