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Die Erfindung betrifft eine Faserverbund-Fertigungsanlage zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils in einem Autoklaven nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Überwachung eines solchen Autoklaven-Fertigungsprozesses zur Herstellung eines Faserverbundbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Aufgrund der besonders vorteilhaften Eigenschaften, bei einem sehr geringen Gewicht eine hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Steifigkeit aufzuweisen, werden Faserverbund-Bauteile, die aus einem oder mehreren Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden, mittlerweile in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Luft- und Raumfahrt sind derartige Werkstoffe nicht mehr wegzudenken, da sie insbesondere im Hinblick auf den Leichtbau optimale Anpassungen bieten.
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So werden heutzutage nicht selten bereits strukturkritische Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt und eingesetzt, wie beispielsweise Flügel- oder Rumpfschalen von Flugzeugen. Aber auch im Automobilbereich werden vermehrt Faserverbund-Bauteile eingesetzt, da die entstehenden Gewichtseinsparungen meist proportional zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führen.
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Gerade im Automobilbereich und in der Luftfahrt gibt es dabei die Bestrebung, Faserverbund-Bauteile in der Serienproduktion qualitätssicher herstellen zu können. Ein wichtiges Kriterium hierbei ist es, den Herstellungsprozess qualitätssicher zu gestalten und insbesondere die einzelnen Herstellungsschritte lückenlos und sicher überwachen zu können. Nur so kann gewährleistet werden, dass fehlerhafte Bauteile sicher und effizient während des Herstellungsprozesses so früh wie möglich erkannt werden. Denn je früher ein defektes Bauteil im gesamten Herstellungsprozess erkannt wurde, desto weniger Ressourcen werden unnötigerweise für dessen Fertigstellung aufgewendet. Dies verringert letztendlich die Kosten pro Bauteil und fördert so die Akzeptanz im industriellen Anwendungsbereich.
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Ein häufig anzutreffender Anwendungsfall ist die Herstellung eines Faserverbund-Bauteils, das aus mehreren Faserverbund-Bauelementen zusammengesetzt wird. Als Beispiel sei hierbei die Herstellung von Flügel- oder Rumpfschalen für Flugzeuge genannt, bei denen zusätzliche Verstärkungselemente, sogenannte Stringer, an der Innenseite des Bauteils angeordnet werden. Derartige Verstärkungselemente bzw. Stringer sind dabei meist vorgefertigte Bauelemente, welche an die noch nicht fertige Schale angefügt werden. Erst im eigentlichen Aushärtungsprozess, bei dem das gesamte Bauteil in einen Autoklaven eingefahren und dann unter Temperatur und/oder Druckbeaufschlagung ausgehärtet wird, entsteht die gewünschte stoffschlüssige Verbindung.
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Dabei kommt es nicht selten zu einem ungewollten Verschieben oder Verrutschen der einzelnen Bauelemente, was insbesondere bei sicherheitskritischen Bauteilen, wie beispielsweise die oben angesprochenen Rumpf- oder Flügelschalen mit ihren Verstärkungselementen, nicht hinnehmbar ist. Da derartige Bauteile einen sehr geringen Toleranzspielraum aufweisen, führen bereits kleinste Abweichungen hinsichtlich der Position der einzelnen Bauelemente zu einem fehlerhaften Bauteil und somit zum Ausschuss.
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In der Praxis wird daher eine Positionsbestimmung der Faserverbund-Bauelemente sowohl vor als auch nach dem Aushärtungsprozess durchgeführt und die ermittelten Positionen miteinander verglichen. Befinden sich die entsprechenden Bauelemente an ihrer vorgegebenen Soll-Position (plus Toleranz), so handelt es sich dementsprechend um ein Gutteil. Befinden sich die Bauelemente außerhalb ihrer vorgegebenen Soll-Position (plus Toleranz), so handelt es sich um Ausschuss, der nicht weiter verwertet wird.
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Der Nachteil bei diesem in der Praxis häufig verwendeten Verfahren besteht jedoch darin, dass Aussagen über die Bauteilqualität erst am Ende des vollständigen Aushärtungsprozesses gemacht werden können, so dass unnötig Energie verbraucht wird und unnötig Belegungszeiten des Autoklaven verschwendet werden. Es besteht somit ein Bestreben, Defekte an Bauteilen innerhalb eines meist mehrstündigen Autoklavprozesses so früh wie möglich erkennen zu können, um eine solche Ressourcenverschwendung entgegenzuwirken.
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Aus der
WO 2007/143045 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kontrollieren eines Werkstückes bekannt, bei dem das Werkstück mit einer Lichtquelle beleuchtet und mit einer Kamera aus einem anderen Winkel aufgenommen wird, wodurch Fehlstellen erkennbar werden.
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Aus der
WO 2010/055059 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Faserablage zur Herstellung eines Rotorblattes aus Faserverbundwerkstoff bekannt, wobei zunächst Faserhalbzeuge in das Formwerkzeug abgelegt und optisch markiert werden, um sie im nächsten Schritt mit Hilfe einer Erfassungseinrichtung analysieren zu können.
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Aus der
WO 2008/079842 A2 ist ein Überwachungssystem für die Harzinfusion bekannt, wobei ein mit Matrixmaterial infiltriertes Faserhalbzeug erwärmt und anschließend mit einer Thermografiekamera aufgenommen wird, um aus den Wärmebilddaten entsprechende ungetränkte Stellen des Faserhalbzeuges erkennen zu können.
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Schließlich ist aus der
EP 1 749 642 A2 ein Verfahren zum Identifizieren von Faserhalbzeugen bekannt, bei dem ID-Transponder in die Faserhalbzeuge integriert werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem sich defekte Faserverbund-Bauteile während des Autoklaven-Fertigungsprozesses insbesondere bei Bauteilen, die aus mehreren Faserverbund-Bauelementen zusammengesetzt werden und in einem meist mehrstündigen Autoklav-Fertigungsprozess ausgehärtet werden, so früh wie möglich erkennen zu können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Faserverbund-Fertigungsanlage gemäß Patentanspruch 1 sowie einem Verfahren zur Überwachung eines Autoklaven-Fertigungsprozesses gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Faserverbund-Fertigungsanlage vorgeschlagen, die zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils, das aus einer Mehrzahl von einzelnen Faserverbund-Bauelemente zusammengesetzt und gebildet wird, vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Fertigungsanlage weist einen Autoklaven zum Aushärten des Faserverbund-Bauteils durch Temperierung oder Druckbeaufschlagung auf.
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Des Weiteren ist eine Positionsermittlungseinrichtung vorgesehen, die zum Ermitteln einer Positionsinformation zumindest eines der Faserverbund-Bauelemente des Faserverbund-Bauteils ausgebildet ist. Hierfür weist die Positionsermittlungseinrichtung eine Sensorsystem mit zumindest einem optischen Sensor auf, der in oder an dem Autoklaven derart angeordnet ist, dass er während des Autoklaven-Fertigungsprozesses optische Messdaten des zumindest einen Faserverbund-Bauelementes erfassen kann. Die optischen Messdaten sind dabei jene Daten, die abhängig von der jeweiligen Sensorart des Sensors von diesem geliefert oder bereitgestellt werden.
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Die von dem mindestens einen optischen Sensor erfassten optischen Messdaten werden dann einer Auswerteeinheit zugeführt, die so eingerichtet ist, dass sie in Abhängigkeit der erfassten optischen Messdaten eine Positionsinformation ermittelt.
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Anhand dieser Positionsinformation lässt sich somit bereits während des Autoklaven-Herstellungsprozesses feststellen, ob die Faserverbundbauelemente des gesamten Faserverbund-Bauteils die Vorgaben hinsichtlich ihrer Soll-Position erfüllen. Die Erfinder haben dabei erkannt, dass die von den optischen Sensoren gelieferten optischen Messdaten während des Autoklaven-Herstellungsprozesses eine hinreichende Genauigkeit derart aufweisen, dass sich eine Verschiebung der Soll-Position feststellen lässt, ohne dass hierfür zusätzliche Sensoren in dem Bauteil eingebracht werden müssen. Denn während des gesamten Autoklaven-Fertigungsprozesses ist ein Eingriff von außen zur Messung verschiedenster Parameter nicht ohne weiteres möglich, da der Fertigungsprozess im Autoklaven weitestgehend autonom erfolgt. Mit Hilfe der optischen Sensoren können somit Messdaten berührungslos erfasst werden, so dass sich beispielsweise optische Sensoren an den Schaugläsern des Autoklaven zum berührungslosen Erfassen der notwendigen Messdaten anordnen lassen. Der Autoklav muss hierfür nicht notwendigerweise umgebaut werden, was die Kosten für die Bereitstellung einer solchen Anlage reduziert.
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Optische Sensoren im Sinne der vorliegenden Erfindung sind somit jene Sensoren, die mit Hilfe von optischen Messverfahren oder optischen Aufnahmeverfahren entsprechende optische Messdaten liefern. Die optischen Messdaten können dabei die Rohdaten sein, so wie sie von einem Sensor geliefert werden. Die optischen Messdaten können aber auch bereits von dem Sensor aufbereitete Daten sein, die auf den optischen Messverfahren basieren.
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Unter einer Positionsinformation kann dabei eine absolute Ortsposition in zumindest einer der drei Raumachsen sein. Eine Ortsposition kann aber auch eine Relativposition bezüglich einer Referenzposition darstellen. In einigen denkbaren Fällen kann die Ortsposition auch den Grad der Abweichung von einer Soll-Position beinhalten.
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Zur Überwachung des Autoklaven-Fertigungsprozesses ist die Auswerteeinheit vorteilhafterweise eingerichtet, eine Abweichung des zumindest einen Faserverbund-Bauelementes, das von dem optischen Sensor vermessen wird, von einer vorgegebenen Soll-Position in Abhängigkeit von den ermittelten Positionsinformationen zu erkennen. So kann die Auswerteeinheit während des Autoklaven-Fertigungsprozesses bereits Ausschuss erkennen, ohne dass hierfür das Faserverbund-Bauteil zu Ende hergestellt werden muss. Vielmehr kann der Autoklaven-Fertigungsprozess nach Feststellung einer Abweichung von der Soll-Position abgebrochen werden, was Zeit und Energie einspart. Zeitaufwendige und teure Messverfahren im Anschluss des Autoklaven-Fertigungsprozesses entfallen darüber hinaus, was die Prozesszyklen erhöht.
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Vorteilhafterweise ist mindestens ein optischer Sensor des Sensorsystems ein Lasersensor zum Erfassen eines Abstandes zwischen Sensor und Faserverbund-Bauelement, wobei die Auswerteeinheit zum Ermitteln einer Positionsinformation in Abhängigkeit von dem erfassten Abstand eingerichtet ist. Ein solcher Lasersensor lässt sich dabei beispielsweise an dem Autoklaven so anordnen, dass der Lasersensor von außen durch ein an dem Autoklaven angeordnetes Schauglas hindurch in das Innere gerichtet ist und so den Abstand zu einem Bauelement, auf den der Lasersensor ausgerichtet ist, erfassen kann. Aus dem Abstand lässt sich dann die Positionsinformation ermitteln, die beispielsweise im einfachsten Fall der Abstand selber ist. Verändert sich der Abstand oder weicht der Abstand von einer vorgegebenen Sollposition ab, so ist mit einer Positionsverschiebung des zu erfassenden Bauelementes auszugehen.
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Dabei können auch mehr als ein Lasersensor angeordnet werden, so dass sich nicht nur punktuell Positionsverschiebungen erfassen lassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, die alternativ oder zusätzlich zu dem Lasersensor, wie vorstehend genannt, gesehen werden kann, ist mindestens ein optischer Sensor des Sensorsystems eine Kamera zum Aufnehmen von Bilddaten des zumindest einen Faserverbund-Bauelementes, wobei die Auswerteeinheit zum Ermitteln der Positionsinformation in Abhängigkeit von den aufgenommenen Bilddaten eingerichtet ist. Durch das Aufnehmen von Bilddaten mittels einer Kamera des zu überwachenden Faserverbund-Bauelementes lassen sich Positionsverschiebungen der Bauelemente anhand einer Auswertung der Bilddaten erkennen, beispielsweise mit Hilfe einer Bildauswerteeinheit bzw. eines Bilderkennungsprogramms.
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So lassen sich beispielsweise markante Formen des zu überwachenden Faserverbund-Bauelementes als Referenzpunkte erkennen, wobei bei einer Verschiebung der markanten Formen bzw. Referenzpunkte des Faserverbund-Bauelementes in den aufgenommenen Bilddaten auf eine Verschiebung der Position im Bauteil geschlossen werden kann. Derartige Referenzpunkte können beispielsweise Kanten, Ecken und dergleichen sein und lassen sich vor den bzw. aus den Konstruktionsunterlagen, die meist in digitaler Form vorliegen, auslesen.
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Hierbei ist es nun besonders vorteilhaft, wenn die Kamera eine Thermografiekamera zum Aufnehmen von thermografischen optischen Messdaten ist. Dies ist beispielsweise nur dann besonders vorteilhaft, wenn eine derartige Thermografiekamera bereits in dem Autoklaven vorhanden ist, um beispielsweise weitergehende Messungen an dem Bauteil durchzuführen. Mit Hilfe einer solchen Thermografiekamera lassen sich dabei genauso wie bei der normalen Kamera thermografische Bilddaten erfassen, die dann entsprechend mit einem Auswerteprogramm bzw. Bilderkennungsprogramm analysiert werden können. So lassen sich auch aus den thermografischen Bilddaten entsprechende Markierungspunkte bzw. markante Formen erkennen, aus denen dann eine Positionsinformation abgeleitet werden kann.
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Darüber hinaus lässt sich beispielsweise die Form eines Bauelementes aus den thermografischen Bilddaten anhand seiner zu anderen Bauelementen unterschiedlichen Wärmeabstrahlung erkennen, so dass eine entsprechende Positionsinformation des entsprechenden Bauelementes ermittelt werden kann.
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Bezüglich der Kameras, sei es nun eine normale Kamera oder eine Thermografiekamera, ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn an zu überwachenden Bauelementen Referenzmarkierungen angeordnet werden, die sich leicht neben den aufgenommenen Bilddaten erkennen lassen. So können beispielsweise thermoresistive Referenzmarkierungen angeordnet werden, die einen gegenüber dem Bauelement verschiedenen Wärmeabstrahlung haben, so dass sie sich in den thermografischen Bilddaten von dem Bauelement abheben. So lässt sich die Position der Referenzmarkierungen feststellen, worauf eine Positionsinformation des Bauelementes abgeleitet werden kann. Denkbar ist auch, dass die Referenzmarkierungen spezielle Abbildungen enthalten, die mit Hilfe einer Bilderkennungssoftware gut erkannt werden können.
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Vorteilhaftweise ist einer oder sind mehrere der Sensoren in einem fluidgekühlten Druckbehälter angeordnet, der im Inneren des Autoklaven angeordnet ist. Dies ist beispielsweise bei einer Thermografiekamera besonders vorteilhaft, da es sich herausgestellt hat, dass das Messverfahren mittels einer Thermografiekamera über die Schaugläser von außen recht ungenau ist. Durch das Anordnen der Sensoren im Inneren des Autoklaven mittels eines fluidgekühlten, beispielsweise wassergekühlten, Druckbehälters, lassen sich die Messverfahren direkt vor Ort durchführen, was die Genauigkeit der Ergebnisse erhöht.
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Ein weiterer Vorteil bei der Anordnung der Sensoren im Inneren des Autoklaven besteht darin, dass insbesondere bei größeren Bauteilen die Sensoren mittels einer Bewegungsvorrichtung verfahrbar sind, so dass auch bei einem kleinen Sensorfeld das gesamte Bauteil mit einem Sensor erfasst werden kann. So kann beispielsweise eine Thermografiekamera oder auch eine normale Kamera an der Bewegungsvorrichtung angeordnet sein und mit dieser längs zu den Bauteilen verfahren werden, so dass sich ein vollständiges Panoramabild des Faserverbund-Bauteils und seinen Faserverbund-Bauelementen ergibt. Die Auswerteeinheit ist nun derart eingerichtet, dass sie aus den Messdaten, die während des Verfahrens bzw. des Bewegens des Sensors aufgenommen wurden, eine entsprechende Positionsinformation ermittelt, so dass sich hieraus die Überwachung ableiten lässt. So ist es beispielsweise denkbar, dass der Sensor mittels eines Linearantriebes an der Decke des Autoklaven angeordnet ist, und in Längsrichtung des Autoklaven bewegbar ist, um so das komplette Bauteil zu erfassen.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst mit den Schritten:
- a) Einfahren des Faserverbund-Bauteils mit den Faserverbund-Bauelementen in einen Autoklaven und Starten des Autoklaven-Fertigungsprozesses,
- b) Erfassen von optischen Messdaten von zumindest einem Faserverbund-Bauelement im Autoklaven mit mindestens einem optischen Sensor eines Sensorsystems während des Autoklaven-Fertigungsprozesses,
- c) Ermitteln einer Positionsinformation des zumindest einen Faserverbund-Bauelementes in Abhängigkeit von den erfassten optischen Messdaten mittels einer Auswerteeinheit und
- d) Erkennen einer Abweichung des zumindest einen Faserverbund-Bauelementes von einer vorgegebenen Soll-Position in Abhängigkeit von der ermittelten Positionsinformation mittels der Auswerteeinheit.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 – schematische Darstellung einer Faserverbund-Fertigungsanlage;
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2 – Messprinzip mittels Lasersensoren;
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3 – schematische Darstellung einer Kamera im Inneren des Autoklaven.
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1 zeigt eine Faserverbund-Fertigungsanlage 1, die einen Autoklaven 2 hat, der zum Aushärten des Faserverbund-Bauteils 3 im Inneren des Autoklaven durch Temperierung und/oder Druckbeaufschlagung ausgebildet ist. Das Faserverbund-Bauteil 3 weist dabei mehrere Faserverbund-Bauelemente 4a, 4b auf, aus denen es schließlich gebildet wird. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist beispielsweise das Faserverbund-Bauelement 4a Teil einer Rumpfschale, während das Faserverbund-Bauelement 4b ein sogenanntes Verstärkungselement bzw. einen Stringer darstellt.
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Da der Stringer 4b an der Rumpfschale 4a des Faserverbund-Bauteils 3 zunächst nur angeheftet ist, muss während des vollständigen Autoklaven-Fertigungsprozesses, bei dem das Bauteil 3 vollständig aushärtet, sichergestellt werden, dass das Verstärkungselement 4b sich nicht in seiner Position verschiebt.
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Hierfür ist erfindungsgemäß ein Sensorsystem 5 mit vier Sensoren 6a bis 6d vorgesehen, die mit einer Auswerteeinheit 7 signaltechnisch verbunden sind. Die Sensoren 6a bis 6d des Sensorsystems 5 sind dabei im Ausführungsbeispiel der 1 als Lasersensoren ausgebildet, die außen an dem Autoklaven 2 angeordnet sind und das Faserverbund-Bauelement 4b mit Hilfe eines Laserstrahls erfassen. Die Sensoren 6a bis 6d sind dabei so angeordnet, dass der Laserstrahl durch die Schaugläser des Autoklavens 2 in das Innere des Autoklaven 2 ausgestrahlt werden können.
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Anhand einer beispielsweise einfachen Laufzeitmessung der Laserstrahlen lässt sich dann für jeden Sensor 6a bis 6d der Abstand des Faserverbund-Bauelementes 4b von dem jeweiligen Sensor ermitteln, wobei mit Hilfe dieses Abstandes die Auswerteeinheit 7 hieraus eine Positionsinformation generiert. Diese Positionsinformation kann im einfachsten Fall der Abstand selber sein. Denkbar ist aber auch, dass eine absolute Position bezüglich des Autoklaven 2 oder des gesamten Faserverbund-Bauteils 3 aus dem jeweiligen Abstand der Sensoren 4a bis 4d ermittelt wird.
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Kommt es zu einer ungewollten Verschiebung der Position des Faserverbund-Bauelementes 4b während des Autoklaven-Fertigungsprozesses, so kann dies dadurch festgestellt werden, dass die Auswerteeinheit 7 einen Vergleich zwischen einer vorgegebenen Soll-Position und der aktuellen Positionsinformation des Bauelementes 4b durchführt. Kommt es zu einer hinreichend großen Verschiebung des Bauelementes 4b, so kann der Autoklaven-Fertigungsprozess abgebrochen werden, was Ressourcen einspart, da das Faserverbund-Bauteil im defekten Zustand nicht mehr bis zum Schluss ausgehärtet werden muss.
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Selbstverständlich können die Sensoren 6a bis 6d auch andere optischen Sensoren sein, beispielsweise Kameras, welche entsprechende Bilddaten als optische Messdaten erfassen.
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2 zeigt schematisch das Messprinzip anhand der in der 1 erwähnten Rumpfschale 4a und darauf angeordneten Verstärkungselementes 4b zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils 3. 2 zeigt dabei das Bauteil im Querschnitt. Kommt es zu einer Verschiebung des Verstärkungselementes 4b, so kann dies mit Hilfe des jeweiligen Sensors 6 anhand einer Veränderung des Abstandes zwischen Sensor und Verstärkungselement 4b erkannt werden.
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3 zeigt schematisch die Ausführungsform, bei der ein Sensor bewegbar im Inneren des Autoklaven 2 angeordnet ist. Die Verbindung mit der Auswerteeinheit 7 kann dabei beispielsweise drahtlos erfolgen. Mit Hilfe einer Bewegungsvorrichtung 8 ist der Sensor 6, der im Beispiel der 3 als Kamera ausgebildet ist, in Längsrichtung des Autoklaven 2 bewegbar, so dass auch längere Faserverbund-Bauteile in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden können. Hierzu verfährt der Sensor 6 mit Hilfe der Bewegungsvorrichtung 8 entlang des Bauteils 3 und nimmt so beispielsweise Bilddaten des Bauteils 3 auf, die dann von der Auswerteeinheit 7 zu einem großen Panoramabild zusammengesetzt werden. Hieraus lassen sich dann beispielsweise entsprechende markante Formen oder Referenzpunkte erkennen, die dann zur Erkennung einer Verschiebung verschiedener Bauelemente hergenommen werden können.
