Perfekte Lage
Das AFP ist ein Prozess zur automatisierten Fertigung von Carbonfaser-Bauteilen, der vor allem in der Luftfahrt Anwendung findet. Bei Aktivierung der carbonfaserverstärkten Prepreg-Tows treten konturbedingt Defekte durch übermäßige Wärmeeinbringung auf, die zum Verlust des Bauteils führen können. Zur Reduzierung des Überhitzungsrisikos wurde ein PXI-System mit integrierter Echtzeitregelung entworfen. Die Ablagefläche wird mit einer IR-Kamera erfasst und die Bilder mittels eines Algorithmus segmentiert, um die Leistung der Wärmequelle zu regeln.
Bild: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.Für die Herstellung von Strukturen aus Carbonfasern wird vor allem in der Luftfahrt die Technologie des automatisierten Fiber Placements (AFP) eingesetzt. Mit der Technologie können komplexe 3D-Geometrien erstellt und durch den Lagenaufbau beliebige Materialstärken erreicht werden. Die Anlage zum Fiber Placement wird mit unidirektional endlosfaserverstärkten, vollständig imprägnierten und konsolidierten Bändchen (Tows) beschickt. Ein klimatisierter Schrank versorgt die Anlage über Spulenlager mit der gewünschten Anzahl an Tows. Ein am Endeffektor des Roboters montierter Legekopf rollt die Tows auf die Werkzeugoberfläche ab. Die Fixierung der Tows auf dem Untergrund erfolgt dann durch eine Aufheizvorrichtung. Als Hitzequelle dient dazu eine Infrarotlampe, die am Legekopf montiert und auf das Material gerichtet ist. Die Tows werden weiter über die Schmelztemperatur des auf den Tows aufgebrachten Bindermaterials erhitzt, sodass das abgelegte Material auf dem Untergrund anhaftet und sich eine stabilisierte Preform bilden kann. Durch Anpressdruck wird der Werkstoff auf der Werkzeugoberfläche platziert. Es handelt sich um eine autoklav-freie Fertigung. Die Legetechnik erweist sich bei ebenen Strukturen als sehr robust. Gekrümmte Konturen stellen dagegen eine Herausforderung dar. Bei der Aktivierung der Faserhalbzeuge durch IR-Bestrahlung wird großflächig Energie eingebracht. Als Folge tritt bei komplexen Geometrien eine inhomogene Temperaturverteilung auf, die zum Totalverlust des Bauteils führen kann, was durch eine dynamische Anpassung des Wärmeeintrages verhindert werden kann. Die Anlage steuert die Bestrahlung nur näherungsweise in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Tool Center Points (TCP) des Endeffektors. Eine aktive Regelung ist nicht implementiert. Erschwert wird die Situation bei gekrümmten Oberflächen. Der Legekopf des Roboters fährt an den Kanten mit geringerer Geschwindigkeit. Da sichergestellt werden muss, dass die Lagen stabil aneinander haften, wird die Leistung der IR-Lampe meist überproportional hoch eingestellt. Somit kommt es besonders an diesen Stellen zu einem erhöhten Hitzeeintrag, wodurch die Faserstrukturen beschädigt werden können.
Bild: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.Vermeidung von Materialdefekten
Um das Auftreten von Defekten zu verhindern, wurde ein neues Konzept entwickelt: Beim Ablegen wird die Arbeitsfläche mit einer Wärmebildkamera A65 von Flir erfasst. Über GigE-Vision gelangen die Bilddaten zum PXIe-Controller 1082, der nach möglichen Hotspots filtert und die Leistung der Strahlenquelle entsprechend anpasst. Ziel ist es, die Temperatur an der Oberfläche des Bauteils konstant zu halten, sodass ein sicheres Anhaften der Tows gewährleistet ist, während hitzebedingte Strukturschäden vermieden werden. Dies erfordert eine aktive Regelung der IR-Quellen in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit des Roboters und der geometrischen bzw. fertigungsbedingten Randbedingungen. Das Analogausgangsmodul überträgt den Steuerstrom an den Phasenanschnittswandler der IR-Lampe und ermöglicht so die Leistungsregulierung.
Segmentierung des IR-Bildes
Für die Regelung muss eine Prozessvariable ermittelt werden. Die Soll-Größe, an der die Regelung sich ausrichtet, wird vom Anwender vorgegeben. Zunächst werden die Rohdaten zu Temperaturwerten umgerechnet. Der Nutzer kann bereits im Vorfeld innerhalb des sichtbaren Bereichs einen Bildausschnitt auswählen. Über diesen Bereich wird dann das arithmetische Mittel der Temperaturwerte gebildet. Für eine leistungsorientierte Regelung und um extreme Schwankungen der Leistungsregulierung abzufangen, kommt ein Kalman-Filer zum Einsatz. Dafür wurden die Daten der jeweils zehn vorhergehenden Iterationen berücksichtigt, wodurch wiederum der Einfluss von Ausreißern oder anderen Messfehlern verringert wird. Für die kommende Iteration kann so eine realistischere Prognose abgegeben werden. Bereits beim Aktivieren der IR-Lampe steigt die Leistung auf ein weit niedrigeres Niveau, als dies bei Verwendung des einfachen Mittelwerts der Fall war. Obwohl der Temperaturverlauf über weite Strecken über dem Sollwert bleibt, wird die Leistung nicht durch extremes Hoch- oder Herunterregeln ausgeglichen. Vielmehr sorgt die Kalman-Methode dafür, dass die eingebrachte Wärmeenergie in kleinen Schritten angepasst wird. Erst bei Überschreiten des Sollwerts über einen längeren Zeitraum wird die Leistung deutlich reduziert.
Fazit
Nach den Testläufen konnte ein positives Fazit gezogen werden. Die Temperaturregelung wurde an der AFP-Anlage erfolgreich erprobt. Die Echtzeitbedingungen wurden eingehalten. Die Simulation hat gezeigt, dass die thermischen Prozesse eine gewisse Trägheit aufweisen. Die Temperatur konnte durch die Regelung erfolgreich gesteuert werden, was eine deutliche Qualitätssteigerung zur Folge hatte. Die abgelegten Faserhalbzeuge wiesen eine deutlich bessere Ablagequalität an den Rampen der Sandwich-Preform auf. Eine weitere Verbesserung wäre die vollständige Kopplung an die AFP-Anlage. Dadurch könnte ein höherer Automatisierungsgrad erreicht werden, da das manuelle Aktivieren und Deaktivieren der Regelung beim Absetzen des Legekopfes nicht mehr nötig wäre. Für den Einsatz mit einem Laser wird diese Erweiterung bereits angestrebt.
Das AFP ist ein Prozess zur automatisierten Fertigung von Carbonfaser-Bauteilen, der vor allem in der Luftfahrt Anwendung findet. Bei Aktivierung der carbonfaserverstärkten Prepreg-Tows treten konturbedingt Defekte durch übermäßige Wärmeeinbringung auf, die zum Verlust des Bauteils führen können. Zur Reduzierung des Überhitzungsrisikos wurde ein PXI-System mit integrierter Echtzeitregelung entworfen. Die Ablagefläche wird mit einer IR-Kamera erfasst und die Bilder mittels eines Algorithmus segmentiert, um die Leistung der Wärmequelle zu regeln.
Bild: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.Für die Herstellung von Strukturen aus Carbonfasern wird vor allem in der Luftfahrt die Technologie des automatisierten Fiber Placements (AFP) eingesetzt. Mit der Technologie können komplexe 3D-Geometrien erstellt und durch den Lagenaufbau beliebige Materialstärken erreicht werden. Die Anlage zum Fiber Placement wird mit unidirektional endlosfaserverstärkten, vollständig imprägnierten und konsolidierten Bändchen (Tows) beschickt. Ein klimatisierter Schrank versorgt die Anlage über Spulenlager mit der gewünschten Anzahl an Tows. Ein am Endeffektor des Roboters montierter Legekopf rollt die Tows auf die Werkzeugoberfläche ab. Die Fixierung der Tows auf dem Untergrund erfolgt dann durch eine Aufheizvorrichtung. Als Hitzequelle dient dazu eine Infrarotlampe, die am Legekopf montiert und auf das Material gerichtet ist. Die Tows werden weiter über die Schmelztemperatur des auf den Tows aufgebrachten Bindermaterials erhitzt, sodass das abgelegte Material auf dem Untergrund anhaftet und sich eine stabilisierte Preform bilden kann. Durch Anpressdruck wird der Werkstoff auf der Werkzeugoberfläche platziert. Es handelt sich um eine autoklav-freie Fertigung. Die Legetechnik erweist sich bei ebenen Strukturen als sehr robust. Gekrümmte Konturen stellen dagegen eine Herausforderung dar. Bei der Aktivierung der Faserhalbzeuge durch IR-Bestrahlung wird großflächig Energie eingebracht. Als Folge tritt bei komplexen Geometrien eine inhomogene Temperaturverteilung auf, die zum Totalverlust des Bauteils führen kann, was durch eine dynamische Anpassung des Wärmeeintrages verhindert werden kann. Die Anlage steuert die Bestrahlung nur näherungsweise in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Tool Center Points (TCP) des Endeffektors. Eine aktive Regelung ist nicht implementiert. Erschwert wird die Situation bei gekrümmten Oberflächen. Der Legekopf des Roboters fährt an den Kanten mit geringerer Geschwindigkeit. Da sichergestellt werden muss, dass die Lagen stabil aneinander haften, wird die Leistung der IR-Lampe meist überproportional hoch eingestellt. Somit kommt es besonders an diesen Stellen zu einem erhöhten Hitzeeintrag, wodurch die Faserstrukturen beschädigt werden können.
Bild: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.Vermeidung von Materialdefekten
Um das Auftreten von Defekten zu verhindern, wurde ein neues Konzept entwickelt: Beim Ablegen wird die Arbeitsfläche mit einer Wärmebildkamera A65 von Flir erfasst. Über GigE-Vision gelangen die Bilddaten zum PXIe-Controller 1082, der nach möglichen Hotspots filtert und die Leistung der Strahlenquelle entsprechend anpasst. Ziel ist es, die Temperatur an der Oberfläche des Bauteils konstant zu halten, sodass ein sicheres Anhaften der Tows gewährleistet ist, während hitzebedingte Strukturschäden vermieden werden. Dies erfordert eine aktive Regelung der IR-Quellen in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit des Roboters und der geometrischen bzw. fertigungsbedingten Randbedingungen. Das Analogausgangsmodul überträgt den Steuerstrom an den Phasenanschnittswandler der IR-Lampe und ermöglicht so die Leistungsregulierung.
Segmentierung des IR-Bildes
Für die Regelung muss eine Prozessvariable ermittelt werden. Die Soll-Größe, an der die Regelung sich ausrichtet, wird vom Anwender vorgegeben. Zunächst werden die Rohdaten zu Temperaturwerten umgerechnet. Der Nutzer kann bereits im Vorfeld innerhalb des sichtbaren Bereichs einen Bildausschnitt auswählen. Über diesen Bereich wird dann das arithmetische Mittel der Temperaturwerte gebildet. Für eine leistungsorientierte Regelung und um extreme Schwankungen der Leistungsregulierung abzufangen, kommt ein Kalman-Filer zum Einsatz. Dafür wurden die Daten der jeweils zehn vorhergehenden Iterationen berücksichtigt, wodurch wiederum der Einfluss von Ausreißern oder anderen Messfehlern verringert wird. Für die kommende Iteration kann so eine realistischere Prognose abgegeben werden. Bereits beim Aktivieren der IR-Lampe steigt die Leistung auf ein weit niedrigeres Niveau, als dies bei Verwendung des einfachen Mittelwerts der Fall war. Obwohl der Temperaturverlauf über weite Strecken über dem Sollwert bleibt, wird die Leistung nicht durch extremes Hoch- oder Herunterregeln ausgeglichen. Vielmehr sorgt die Kalman-Methode dafür, dass die eingebrachte Wärmeenergie in kleinen Schritten angepasst wird. Erst bei Überschreiten des Sollwerts über einen längeren Zeitraum wird die Leistung deutlich reduziert.
Fazit
Nach den Testläufen konnte ein positives Fazit gezogen werden. Die Temperaturregelung wurde an der AFP-Anlage erfolgreich erprobt. Die Echtzeitbedingungen wurden eingehalten. Die Simulation hat gezeigt, dass die thermischen Prozesse eine gewisse Trägheit aufweisen. Die Temperatur konnte durch die Regelung erfolgreich gesteuert werden, was eine deutliche Qualitätssteigerung zur Folge hatte. Die abgelegten Faserhalbzeuge wiesen eine deutlich bessere Ablagequalität an den Rampen der Sandwich-Preform auf. Eine weitere Verbesserung wäre die vollständige Kopplung an die AFP-Anlage. Dadurch könnte ein höherer Automatisierungsgrad erreicht werden, da das manuelle Aktivieren und Deaktivieren der Regelung beim Absetzen des Legekopfes nicht mehr nötig wäre. Für den Einsatz mit einem Laser wird diese Erweiterung bereits angestrebt.
National Instruments Germany GmbH
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 1+2 2016 - 02.02.16.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
