Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozessintegrierte Qualitätssicherung mit hochfrequenter Wirbelstrom-Messtechnik entlang der Prozesskette zur FKV-Herstellung.

Mit dem aktuell für Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) am häufigsten eingesetzten zerstörungsfreien Prüfverfahren, der Ultraschallprüfung, ist nur die Prüfung ausgehärteter Verbundbauteile möglich. Zur Prüfung von Halbzeugen und Preforms entlang der Prozesskette zur CFK-Herstellung können optische Verfahren eingesetzt werden, die allerdings nur die jeweils oberste Lage prüfen können. Für einen Durchbruch des neuen Werkstoffs CFK und eine langfristige Absicherung der kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) bedarf es eines Verfahrens zur prozessbegleitenden und lückenlosen 100 %-Tiefenprüfung entlang der gesamten Fertigungskette. Um ein solches prozessintegriertes und die Fertigungskette übergreifendes Verfahren bereitzustellen, bietet die Hochfrequenz-Wirbelstrom-Prüfung großes Potenzial. Das Verfahrensprinzip beruht auf der Anregung hochfrequenter Wirbelströme in den gering leitfähigen Carbonfaser-Halbzeugen, -Preforms und CFK-Bauteilen, wodurch Inhomogenitäten sowohl der Fasern als auch der Matrix, welche als Dielektrikum wirkt, sichtbar gemacht werden können. Gegenüber den bekannten Verfahren bietet die Hochfrequenz-Wirbelstrom-Messtechnik die Vorteile, dass zum einen mithilfe ein und desselben physikalischen Messprinzips eine Prüfung sowohl trockener Halbzeuge als auch ausgehärteter CFK-Bauteile möglich ist und dass zum anderen die Prüfung an Halbzeugen und Preforms auch in den tieferen, optisch nicht sichtbaren Lagen erfolgen kann.

Um dieses Verfahren in Form einer universell einsetzbaren, prozessintegrierten Online-Qualitätsprüfung für KMU zugänglich zu machen, wird in diesem Projekt eine anwendungsbezogene systematische Untersuchung der Detektierbarkeit relevanter Fehlerarten und Fehlergrößen in verschiedenen Tiefenlagen durchgeführt und es werden Algorithmen zur automatischen Auswertung der Wirbelstrombilder zur Fehlerdetektion, identifikation und -quantifizierung entwickelt.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsprojekts war die Evaluierung und Weiterentwicklung der Hochfrequenz-Wirbelstrom-Prüftechnik zur Online-Qualitätssicherung in der Herstellung carbonfaserverstärkter Kunststoff-Bauteile (CFK). Hierfür wurden in jeder Prozessstufe - Textil, 3D-Preform, Infusionsprozess, Verbundbauteil - typische Fehler festgelegt und in verschiedenen Größen und Tiefenlagen mit Wirbelstromprüfung untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Wirbelstromverfahren in der Lage ist, Fehler wie Gassen, Ondulationen und Flugfasern je nach Fehlertyp unter bis zu 6 Carbonfaserlagen zu detektieren. Weiterhin sind Delaminationen und Porositäten detektierbar. Das Wirbelstromprüfverfahren bietet sich damit als kostengünstiges Verfahren für die Prüfung von Halbzeugen, Preforms und dünnwandigen CFK-Bauteilen an. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass mit der Wirbelstromprüfung die Fließfront bei der Infusion detektiert werden kann und sich über den Aushärteverlauf eine charakteristische Kurve des komplexen Wirbelstromsignals ergibt. Über Korrelation des Wirbelstromsignals mit dem

Vernetzungsgrad ist damit eine Überwachung der Harzaushärtung möglich. Die Projektergebnisse bieten u. a. folgende Anwendungsmöglichkeiten:

1) Realisierung von Online-Systemen zur Prüfung mehrlagiger textiler Lagenstapel, Preforms .und dünnwandiger CFK-Bauteile auf Fehlerfreiheit und korrekte Lagenorientierung

2) Systeme zur zerstörungsfreien Ermittlung von Porengehalt/Faservolumengehalt

3) Systeme zur kostengünstigen und berührungslosen Überwachung des Aushärtevorgangs