Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Industrie 4.0: Vernetzte Prozessüberwachung bei der Herstellung von FVK_Bauteilen durch textilbasierte Sensorik im Verstärkungsgewebe

In diesem Forschungsvorhaben sollen kostengünstige, textile piezoelektrische Ultraschallsensoren entwickelt werden, die die Konsolidierung von Faserverbundbauteilen überwachen und regeln. Ziel ist die direkte Fertigung von piezoaktiven Sensoren im einstufigen Webprozess. Der Sensor entsteht durch den funktionellen Lagenaufbau des Mehrlagengewebes. Durch den textilen Aufbau können die Sensoren an kritischen Stellen im Inneren des Bauteils bspw. in Luftfahrtanwendungen eingesetzt werden.

Faserverstärkte Kunststoffverbunde (FKV) mit hohem Leichtbaupotenzial sind in vielen Bereichen des Automobils, der Luftfahrt oder im Maschinenbau als seriennahe Produkte nicht wegzudenken. Dabei spielt die hohe Qualität jedes einzelnen Bauteils eine entscheidende Rolle. Maßgeblich für die Qualität und die Prozesskosten ist die Konsolidierung.

Ultraschallsensoren können zur Überwachung der Konsolidierung von FKV-Bauteilen verwendet werden. Bisherige Ultraschallsensoren sind nicht textilintegriert und messen den Aushärtegrad nur von außen. Insbesondere bei dicken oder komplexen Bauteilen erhält man nur bedingt Informationen über den Aushärtegrad im Inneren, außerdem bereitet die Ankoppelung der Sensoren Probleme. Ein webtechnischer Lösungsansatz zum Sensoraufbau mittels Mehrlagen-Geweben lässt eine gezieltere Einbringung der Fasern für den Sensoraufbau und deren kostengünstige Kontaktierung erwarten.

Die multidisziplinäre Zusammensetzung des PA und der hohe Anteil von KMU spiegeln das Interesse der Industrie an kostensenkenden Maßnahmen für eine Serienfertigung von Faserverbundbauteilen bei gleichzeitig hoher Qualitätssicherung wieder. Maßgebende Innovationstreiber können die Textilunternehmen am Beginn der Prozesskette sein, die den Schlüssel der Prozess- und Produktoptimierung durch die sensorintegrierten Textilhalbzeuge erschaffen und dadurch die für Industrie 4.0 notwendigen Verfahren der Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration und Selbstdiagnose durch das Bauteil ermöglichen.

Ergebniszusammenfassung:

Der Trend im Bereich der sicherheitsrelevanten Faserverbundbauteile geht zur kontinuierlichen Bauteilüberwachung, speziell auch im Prozessschritt der Konsolidierung des FKV-Bauteils. Aktuell wird das, wenn überhaupt, durch den Einsatz von Sensoren realisiert, welche extern aufgebracht werden. In diesem Forschungsvorhaben werden die Sensoren schon bei der textilen Herstellung der Mehrlagenverstärkungsgewebe als Gewebebestandteil in das Gewebehalbzeug integriert. Durch die Integration der Sensoren in das FKV-Bauteil können negative mechanische Einflüsse, die durch das Einbringen der Sensoren entstehen (aktueller Stand der Technik) vermieden werden. Weitere positive Eigenschaften, die durch den Einsatz der hier entwickelten Methode entstehen, ist eine Verkürzung der bisher standardmäßig ausgelegten Konsolidierungstaktzeit hin zu einer optimierten bauteilindividuellen Konsolidierungstaktzeit und ein Wegfall der komplizierten Verkabelung für den Anschluss der Sensoren an die Auswerteeinheiten. Durch das integrieren der Sensoren als Sensorschicht im Mehrlagengewebe, kann die höchst mögliche Integrationsstufe erreicht werden und Materialgrenzflächen können effektiv vermieden werden.

Die Anwendungsgebiete der neu entwickelten Methode sind vielfältig, machen aber für FKV-Bauteile mit einem nicht kontinuierlichen geometrischen Aufbau am meisten Sinn. Der Einsatz solcher Bauteile findet aktuell am häufigsten in der Luft- und Raumfahrbranche statt. Die Nachfrage der Automotivebranche steigt jedoch stetig an und kann mit neuen effizienten und gleichzeitig qualitativ höherwertigen Prozessmethoden, wie in diesem Forschungsvorhaben entwickelt, bedient werden.