DE102013104546A1

DE102013104546A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von Fehlstellen von abgelegten Faserhalbzeugen

Info

Publication number: DE102013104546A1
Application number: DE102013104546.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Krombholz; Matthias Bock
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2014-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen von auf einer Werkzeugoberfläche abgelegten Faserhalbzeugen, wobei ein Höhenprofil mit Hilfe eines optischen Lichtprojektionsverfahrens ermittelt und die Fehlstellen dann in Abhängigkeit des Höhenprofils der Halbzeugoberfläche durch eine Bildauswerteeinheit bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen von auf einer Werkzeugoberfläche abgelegten Faserhalbzeugen sowie eine Faserlegevorrichtung hierzu.
Aufgrund der besonderen Eigenschaft, bei einem relativ geringen spezifischen Gewicht eine besonders hohe Festigkeit und Steifigkeit aufzuweisen, finden Faserverbundwerkstoffe mittlerweile in vielen Bereichen Anwendung. Nicht selten werden dabei auch sicherheitskritische Bauteile, wie beispielsweise Flügelspannen oder lasttragende Elemente aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Nachteilig von Faserverbundbauteilen sind jedoch die hohen Herstellungskosten, die in dem oft schlecht zu automatisierenden Herstellungsprozess begründet liegen.
Gerade im Automobilbereich sowie in der Luft- und Raumfahrt besteht jedoch die Bestrebung, möglichst viele Bauelemente aus einem Faserverbundwerkstoff in der Serienproduktion herstellen zu können, um so die Stückkosten zu reduzieren, damit Faserverbundbauelemente in komplexen Bauteilen oder Gütern, die in hoher Stückzahl gefertigt werden (beispielsweise Autos) zu etablieren. Aber auch bei großen Bauelementen, wie beispielsweise Flügel von Flugzeugen oder Rotorblätter von Windkraftanlagen, ist ein automatisierter Herstellungsprozess wünschenswert, da derartige Großbauteile sehr hohe Kosten verursachen, wenn der Herstellungsprozess viel Handarbeit erfordert.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 027 A1 eine Faser-Legevorrichtung bekannt, bei der auf einem umlaufenden Schienensystem mehrere Roboter geführt werden, die jeweils einen Ablegekopf haben, mit dem Faserhalbzeuge auf einem in der Mitte des umlaufenden Schienensystems vorgesehenen Werkzeug abgelegt werden können. Durch diese Form des Ablegens von Faserhalbzeugen mit Hilfe von Robotern kann der Legeprozess zur Bildung der herzustellenden Bauteilform automatisiert werden, was insbesondere die Herstellung großer Bauelemente begünstigt.
Mit den zunehmenden Versuchen der Automatisierung solcher Ablegeprozesse rückt jedoch der Aspekt der Qualitätssicherung mehr und mehr in den Fokus, insbesondere dann, wenn sicherheitskritische Bauelemente aus einem Faserverbundwerkstoff in einem automatisierten Herstellungsprozess hergestellt werden sollen. Die durch die Automatisierung des Prozesses erfolgten Einsparungen werden dann meist durch eine erhöhte Qualitätssicherung, insbesondere am fertigen Bauteil, sowie einer höheren Ausschussrate zunichte gemacht.
So ist beispielsweise aus der nachveröffentlichten DE 10 2012 111 898 ein Verfahren bekannt, mit dem der Faserwinkel von faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit Hilfe eines Laserschnittsensors ermittelt werden kann, um so den Faserverlauf insbesondere von Verstärkungsfasern überwachen zu können.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch den automatisierten Ablegeprozess eine Vielzahl von Fehlstellen in dem Bauteil entstehen können, die mitunter erst in der Endkontrolle erkannt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren für die Qualitätssicherung bereitzustellen, mit dem Fehlstellen bereits frühzeitig im automatisierten Ablegeprozess erkannt werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen. Die Aufgabe der Erfindung wird im Übrigen auch mit der Faserlegevorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst.
Demnach wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass mit Hilfe eines an und für sich bekannten optischen Lichtprojektionsverfahren ein Höhenprofil von der Halbzeugoberfläche abgelegter Faserhalbzeuge ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit von dem ermittelten Höhenprofil der Halbzeugoberfläche mit Hilfe einer Bildauswerteeinheit Fehlstellen der abgelegten Faserhalbzeuge ermittelt bzw. erkannt werden können.
Bei dem Lichtprojektionsverfahren wird dabei die Halbzeugoberfläche mit Licht einer Lichtquelle aus einer ersten Richtung beleuchtet und das von der Halbzeugoberfläche reflektierte Licht aus einer anderen, zweiten Richtung mit einer Kamera aufgenommen. Aus den aufgenommenen Bilddaten, welche das reflektierte Licht beinhalten, kann mittels einer Bildauswerteeinheit dann das Höhenprofil berechnet werden.
Durch das Beleuchten der Halbzeugoberfläche unter einem definierten Winkel und Aufnehmen des reflektierten Lichts unter einem definierten anderen Winkel können je nach Feinstrukturierung des Beleuchtungslichtes jegliche Profilierungen der Halbzeugoberfläche der abgelegten Faserhalbzeuge erfasst werden, so dass sich ein hochgenaues Höhenprofil der Halbzeugoberfläche abgelegter Faserhalbzeuge ergibt. Die Beleuchtung kann dabei mittels abgegrenzter Punkte, Linien, Streifen oder sonstiger definierter Hell/Dunkel-Muster erfolgen und ist in der Regel auf einen bestimmten Bereich begrenzt.
Zwar sind derartige Lichtprojektionsverfahren, insbesondere die speziellen Lichtschnittverfahren, aus dem Stand der Technik bekannt. Allerdings haben die Erfinder im Zusammenhang mit Faserverbundwerkstoffen erkannt, dass mittels der hochgenauen Lichtprojektionsverfahren Höhenprofile der Halbzeugoberfläche derart erfassbar sind, dass hierdurch Fehlstellen in dem Faserhalbzeug erkannt werden können. Denn in der Regel werden Fehlstellen der Faserhalbzeuge durch ein bestimmtes charakteristisches Höhenprofil erkennbar, so dass mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren eine nicht invasive Untersuchung der abgelegten Faserhalbzeuge durchgeführt werden kann, was sich positiv auf den Qualitätssicherungsprozess beim automatisierten Ablegen von Faserhalbzeugen auswirkt.
So lassen sich mit dem vorliegenden Verfahren Fehlstellen bereits sehr frühzeitig kurz nach dem Ablegen der Fasern feststellen, so dass sehr frühzeitig in dem Herstellungsprozess hierauf Rücksicht genommen werden kann. Der Fehler wird somit nicht erst in der Endkontrolle entdeckt, wo der Ausschuss des Bauteils die höchsten Kosten verursacht.
Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass mit Hilfe von Lichtprojektionsverfahren und den daraus ermittelbaren Höhenprofilen besonders schnell und effizient entsprechende Fehlstellen erkennbar sind, so dass das vorliegende Verfahren grundsätzlich echtzeitfähig ist. Daher kann das Verfahren auch parallel zum eigentlichen Ablegeprozess durchgeführt werden, was eine besonders hohe Prozessoptimierung darstellt.
Unter einer Fehlstelle eines Faserhalbzeuges wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Material- bzw. Faserveränderung verstanden, die beispielsweise zu einem fehlerhaften Aufbau bzw. zu einem fehlerhaften Bauteil führen kann. Derartige Material- bzw. Faserveränderungen können beispielsweise Materialfehler, Faserdurchtrennungen, Materialablösungen oder Materialaufspleißungen sein. Durch die Material- bzw. Faserveränderung von Fasern eines Faserhalbzeuges werden darüber hinaus die mechanischen Eigenschaften des Faserhalbzeuges beeinträchtigt, so dass die gewichtsspezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten des späteren Bauteils womöglich nicht mehr realisiert werden können.
Fehlstellen im Sinne der vorliegenden Erfindung können darüber hinaus auch Ablegefehler sein, bei denen Faserhalbzeuge überlappend oder mit einem nicht vorgegebenen Spalt abgelegt werden. Derartige Sprünge bzw. Stufen innerhalb der abgelegten Faserhalbzeuge lassen sich derartige Fehlstellen erkennen und ggf. korrigieren, was die Qualitätssicherung begünstigt. Auch Lufteinschlüsse, Faserondulationen sowie Materialstauchungen können als Fehlstellen aus den Höhenprofilen der Halbzeugoberfläche erkannt werden.
Fehlstellen im Sinne der vorliegenden Erfindung können darüber hinaus auch Fremdkörper, wie beispielsweise Folienreste, Staub oder sandkörnige Materialien und dergleichen sein. Aufgrund des von einem normalen Höhenprofil abweichenden Höhenprofils bei Fremdkörpern auf der Halbzeugoberfläche oder in dem Halbzeug selber lassen sich diese mit vergleichsweise geringen Rechenkapazitäten erfassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird neben dem Höhenprofil auch eine Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes aus den aufgenommenen Bilddaten durch die Bildauswerteeinheit ermittelt, wobei die Fehlstellen der abgelegten Faserhalbzeuge dann weiterhin auch in Abhängigkeit der ermittelten Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes auf der Werkzeugoberfläche ermittelt werden. So lassen sich Fehlstellen nicht nur anhand des Höhenprofils ermitteln, sondern auch in Kombination mit der Intensitätsverteilung, was die Erkennungsrate des vorliegenden Verfahrens wesentlich verbessert und die Gefahr von Fehlalarmen reduziert.
So lassen sich Fehlstellen beispielsweise anhand eines gegenüber fehlerfreien Halbzeugbereichen aufgrund einer veränderten Reflektionseigenschaft des reflektierten Lichtes ermitteln, so dass im Zusammenhang mit dem Höhenprofil und der aufgrund der Fehlstelle charakteristisch ausgebildeten Höhenprofilform die Fehlstelle sicher und schnell erkannt werden kann.
Um insbesondere bei großen Datenmengen, die durch die Aufnahme der Bilddaten entstehen, die Echtzeitfähigkeit des vorliegenden Verfahrens weiterhin zu gewährleisten, ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn mit Hilfe der Bildauswerteeinheit eine Inhomogenität der Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes aus den aufgenommenen Bilddaten in einem Teilbereich der Halbzeugoberfläche ermittelt wird, so dass die Überprüfung des Höhenprofils hinsichtlich zu erkennender Fehlstellen auf dem Teilbereich der erkannten Inhomogenität der Intensitätsverteilung beschränkt werden kann. Gerade bei großen Faserverbundbauteilen kann durch die hochauflösende Aufnahme des reflektierten Lichtes schnell ein großer Bilddatenbestand entstehen, so dass die Ermittlung und Erkennung von Fehlstellen aus den aufgenommenen Bilddaten mehr Rechenleistung bedarf. Durch das Beschränken der Überprüfung der Höhenprofile auf entsprechende charakteristische Fehlstellen auf jene Teilbereiche, in denen eine Inhomogenität der Intensitätsverteilung erkannt wurde, kann das vorliegende Verfahren deutlich effizienter und schneller ausgeführt werden. Wird das Verfahren im Nachlauf eines Ablegekopfes angewendet, so lassen sich hierdurch deutlich höhere Ablegegeschwindigkeiten ohne Verlust einer Echtzeitqualitätssicherung realisieren.
Vorteilhafterweise wird eine dreidimensionale Oberflächenstruktur als Höhenprofil mittels des Lichtprojektionsverfahrens ermittelt, so dass sich ein vollständiges Abbild der Halbzeugoberfläche der abgelegten Faserhalbzeuge erfassen und ggf. in einem Datenspeicher abspeichern lassen. Hierdurch lassen sich schließlich auch Dokumentationsvorgaben beim Ablegen der Faserhalbzeuge automatisiert einhalten, da die Struktur der Halbzeugoberfläche der abgelegten Faserhalbzeuge lückenlos dokumentiert ist.
Wie bereits erwähnt, kann das optische Lichtprojektionsverfahren ein Lichtschnittverfahren sein, bei dem eine Lichtlinie auf die Halbzeugoberfläche unter einem speziellen Winkel projiziert und diese so projizierte Lichtlinie unter einem anderen Winkel mit Hilfe der Kamera aufgenommen wird. Durch Höhenänderungen innerhalb der Oberfläche entstehen Ablenkungen und Richtungsänderungen der Linie in den aufgenommenen Bilddaten, wodurch auf das entsprechende Höhenprofil geschlossen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Kamera und die Lichtquelle in einen definierten Abstand zueinander mit einem Roboter gegenüber den abgelegten Faserhalbzeugen verfahren, so dass ein vollständiger Scan der Halbzeugoberfläche und die Ermittlung eines vollständigen 3D-Höhenprofils erreicht werden kann.
Hierbei ist es nun ganz besonders vorteilhaft, wenn die Kamera und die Lichtquelle im Nachlauf mit einem Ablegekopf einer Faserlegevorrichtung während des Ablegens von Faserhalbzeugen verfahren werden. Somit lässt sich bereits schon während des Ablegeprozesses die Qualitätssicherung „on the fly“ und in Echtzeit durchführen. Hierzu kann die Lichtquelle und die Kamera in Ablegerichtung hinter dem Ablegekopf befestigt sein, wodurch bereits die gerade abgelegten Faserhalbzeuge überprüft werden können.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigt:
1 – schematische Darstellung eines Ablegekopfes mit einer Lichtquelle und einer Kamera zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt schematisch einen Ablegekopf 1, der am unteren Ende eine Anpressrolle 2 aufweist, mit der ein flächiges Faserhalbzeug 3 auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche 4 abgelegt werden soll. Die abzulegenden Faserhalbzeuge können dabei trockene Rovings bzw. Tows sein, aber auch vorimprägnierte Prepregs.
Im Nachlauf des Ablegekopfes 1 ist an dem Ablegekopf 1 ein Lichtschnittsensor 5 angeordnet, der als Laserlichtschnittsensor ausgebildet ist. Hierzu wird mit Hilfe einer Laserlichtquelle 6 eine Laserlichtlinie 7 auf den bereits abgelegten Teil des Faserhalbzeuges 3 projiziert. Die Projektion des Laserlichtes in Form einer Laserlichtlinie 7 auf das Faserhalbzeug 3 erfolgt dabei aus einer ersten Richtung.
Der Laserlichtschnittsensor 5 weist des weiteren eine Kamera 8 auf, die in einem definierten Abstand zu der Laserlichtquelle 6 angeordnet ist und die auf das Faserhalbzeug 3 projizierte Laserlichtlinie 7 aus einer anderen zweiten Richtung unter einem vorgegebenen und definierten Winkel aufnimmt.
Die Kamera 8 des Lichtschnittsensors 5 ist mit einer Bildauswerteeinheit 9 verbunden, die nun in Abhängigkeit der aufgenommenen Bilddaten und dem aus der Laserlichtlinie 7 reflektierten Lichtes ein entsprechendes Höhenprofil ermittelt. Da der Ablegekopf 1 zusammen mit dem Lichtschnittsensor 5 kontinuierlich auf der Werkzeugoberfläche 4 verfahren wird, ergeben sich eine Vielzahl von Bilddaten, die beispielsweise 1 GB pro Minute tragen können. Die Bilddaten und/oder die aus den Bilddaten ermittelten Höhenprofile pro Zeitpunkt lassen sich dann in einer Datenbank 10 abspeichern, so dass sich ein vollständiges dreidimensionales Höhenprofil bzw. Oberflächenstruktur der Oberfläche des Faserhalbzeuges 3 ergibt.
Darüber hinaus lassen sich mit Hilfe der Bildauswerteeinheit 9 aus den Höhenprofilen die entsprechenden charakteristischen Fehlstellen ableiten, so dass während des Ablegens der Faserhalbzeuge 3 auf der Werkzeugoberfläche 4 sich gleich die Qualitätssicherung des Ablegeprozesses in Echtzeit anschließt.
Bezugszeichenliste

1: Ablegekopf (einer nicht dargestellten Faserlegevorrichtung)
2: Anpressrolle
3: Faserhalbzeug
4: Werkzeugoberfläche
5: Lichtschnittsensor
6: Laserlichtquelle
7: Laserlichtlinie
8: Kamera
9: Bildauswerteeinheit
10: Datenbank

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010015027 A1 [0004]
DE 102012111898 [0006]

Claims

Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen von auf einer Werkzeugoberfläche (4) abgelegten Faserhalbzeugen (3) mit den Schritten: a) Ermitteln eines Höhenprofils von einer Halbzeugoberfläche abgelegter Faserhalbzeuge (3) mittels eines optischen Lichtprojektionsverfahrens, bei dem die Halbzeugoberfläche mit Licht (7) einer Lichtquelle (6) aus einer ersten Richtung beleuchtet, das von der Halbzeugoberfläche reflektierte Licht aus einer anderen, zweiten Richtung mit einer Kamera (8) aufgenommen und das Höhenprofil in Abhängigkeit von dem reflektierten Licht aus den aufgenommenen Bilddaten durch eine Bildauswerteeinheit (9) berechnet wird, und b) Ermitteln von Fehlstellen der abgelegten Faserhalbzeuge (3) in Abhängigkeit von dem ermittelten Höhenprofil der Halbzeugoberfläche durch die Bildauswerteeinheit (9).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ermitteln einer Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes aus den aufgenommenen Bilddaten durch die Bildauswerteeinheit (9) und Ermitteln der Fehlstellen der abgelegten Faserhalbzeuge (3) weiterhin in Abhängigkeit von der ermittelten Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes auf der Halbzeugoberfläche durch die Bildauswerteeinheit (9).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Inhomogenität der Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes aus den aufgenommenen Bilddaten in einem Teilbereich der Halbzeugoberfläche ermittelt und eine Fehlstelle in Abhängigkeit von dem ermittelten Höhenprofil in dem Teilbereich der Halbzeugoberfläche, in dem die Inhomogenität festgestellt wurde, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stufen, Überlappungen, Spalte, Lufteinschlüsse, Fremdkörper, Materialablösungen und/oder Materialfehler als Fehlstellen erkannt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dreidimensionale Oberflächenstruktur als Höhenprofil mittels des Lichtprojektionsverfahrens ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Lichtprojektionsverfahren ein Lichtschnittverfahren ist, mit dem eine Lichtlinie (7) auf die Halbzeugoberfläche projiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (8) und die Lichtquelle (6) in definiertem Abstand zueinander mit einem Roboter gegenüber den abgelegten Faserhalbzeugen (3) verfahren werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (8) und die Lichtquelle (6) im Nachlauf mit einem Ablegekopf (1) einer Faserlegevorrichtung während des Ablegens von Faserhalbzeugen (3) gegenüber den bereits abgelegten Faserhalbzeugen (3) verfahren werden.
Faserlegevorrichtung zum Ablegen von Faserhalbzeugen auf einer Werkzeugoberfläche (4) mit einem Ablegekopf (1), an dem eine Lichtquelle (6) und eine Kamera (8) in definiertem Abstand zueinander angeordnet sind, und mit einer Bildauswerteeinheit (9), wobei die Faserlegevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erkennung von Fehlstellen bereits abgelegter Faserhalbzeuge (3) eingerichtet ist.
Faserlegevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6) und die Kamera (8) in definiertem Abstand zueinander im Nachlauf des Ablegekopfes (1) angeordnet sind.