Qualitätssicherung von textilen Kohlenstofffaserpreforms mittels prozessintegrierter Wirbelstromsensor-Arrays

Um dem Bedarf nach ressourcenschonender individueller Mobilität gerecht zu werden, muss die Produktivität der Herstellungsprozesse kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe gesteigert werden. Die vorliegende Arbeit verfolgt dabei den Ansatz der Prozessintegration von Wirbelstromsensoren, um defektbehaftete Bauteile in qualitätskritischen Prozessschritten zu identifizieren und vor weiteren Bearbeitungsschritten aus dem Prozess auszuschleusen. Die Arbeit fokussiert sich dabei auf das sog. Preforming des Resin Transfer Mouldings (RTM) bei dem Kohlestofffasermatten als textile Halbzeuge verformt werden. ... mehrDabei müssen qualitätskritische Defekte wie fehlerhafte Faserbündelorientierungen oder Falten im Textil zuverlässig erkannt werden. Das dafür betrachtete Sensorkonzept, mit dem diese Defekte erkannt werden sollen, basiert auf dem Funktionsprinzip der halbtransformatorischen Spulenanordnungen. Diese werden zu einem sog. Spulen-Array verschaltet und können in die Formwerkzeuge des Preformings integriert werden. Das erlaubt einen hohen Prozessintegrationsgrad und eine 100%-Qualitätssicherung, bei der alle gefertigten Teile geprüft werden können.
Der betrachtete Sensor muss allerdings hinsichtlich seiner Gestaltungsmöglichkeiten bewertet werden, denn neben der Wahl der Spulenbauart- und -form müssen zusätzlich die möglichen relativen Anordnungen der Spulenelemente bewertet werden. Dafür ist ein experimenteller Ansatz gewählt worden, um relevante Einflüsse auf das Signalübertragungsverhalten zu identifizieren und optimale Designparameter für das Sensor-Array ableiten zu können. Es konnte dabei gezeigt werden, dass als printed circuit boards ausgeführte Spulen insbesondere für die Prüfung flacher Bauteile geeignet sind. Im Gegensatz dazu sind konventionelle zylindrische Spulen für die Prüfung schalenförmiger Geometrien zu bevorzugen.
Basierend auf diesen Erkenntnissen werden Wirbelstromsensor-Arrays entwickelt, prototypisch aufgebaut und erprobt. Dies beinhaltet die mechanische und elektrische Gestaltung der Komponenten. Darüber hinaus werden Methoden diskutiert, mit denen die Rohdaten des Sensors in eine auswertbare Form gebracht werden können. Die dabei gewonnenen Messdaten erlauben eine quantitative Ermittlung von Faserbündelorientierungen in Kohlenstofffaser-Preforms. Die Ergebnisse einer Messunsicherheitsermittlung nach VDA Band 5.1 lassen die Schlussfolgerung zu, dass das entwickelte System in seiner dargestellten Form nicht den Anforderungen einer Serienfertigung genügt. Allerdings können Klassierprüfungen mit einer Klassenbreite von 6,662° durchgeführt werden. Um die Anwendungsmöglichkeiten des erforschten Systems darüber hinaus zu erhöhen, werden zudem gezielt defektbehaftete Bauteile gefertigt und derart geprüft, dass eine Methode des maschinellen Lernens genutzt werden kann, um Defekte automatisiert erkennen zu können.

To meet the need for resource-efficient individual mobility, the productivity of the production processes for carbon fibre-reinforced plastics must be increased. The presented work follows the approach of process integration of eddy current sensors to identify defective components in quality-critical manufacturing steps in order to exclude them before further process steps. The work focuses on the so-called preforming of resin transfer moulding (RTM) where carbon fibre mats are formed into semifinished textile products at an early stage in the process chain. Therefore, defects critical to quality that must be reliably detected are faulty fibre bundle orientations, wrinkles or other defects. ... mehrThe researched sensor concept, with which these defects must be detected, is based on the operating principle of half-transmission eddy current sensors. These are interconnected to a coil array and can thus be integrated into the forming tool of the preforming process. This allows a high degree of process proximity to the semi-finished product and thus permits a so-called 100% quality assurance. This type of sensor integration however, goes hand in hand with both freedom and boundary conditions with regard to the design of the sensor. In addition to the design and geometry of the coils, this also includes their relative arrangement to each other, which is determined by the shape of the tool. Therefore, an experimental approach is pursued to identify the relevant influences on the signal transmission behaviour and to derive optimal design parameters for the sensor array. It was demonstrated that flat coils designed as printed circuit boards are highly suitable for testing flat component areas. In contrast, conventional cylindrical coils are preferred for the testing of shellshaped components.
Based on these findings, prototypical eddy current sensor arrays are developed, constructed and tested. This includes the mechanical and electronic components of the presented systems. Furthermore, methods are discussed with which the raw data can be converted into an evaluable form. The measurement results obtained allow the quantitative determination of fibre bundle orientations in carbon fiber preforms. The result of these investigations can be summarized to the effect that the developed sensor concept does not meet the requirements for a process-integrated 100% quality assurance. However, a process-integrated classification test with a class width of 6.662° relative fibre misorientation of fabrics is made possible. In order to further increase the usability of this testing system, defective samples of textile semi-finished products are produced and examined with an eddy current sensor array. Based on the data obtained, a method of machine learning is presented with which the defects can be classified automatically.