Mittelstand profitiert von intelligenter Quallitätsüberwachung
Inline-Messtechnik für die Pultrusion von faserverstärkten Kunststoffprofilen
Eine neue Messtechnik soll Ausschussraten bei faserverstärkten Kunststoffprofilen (FVK) senken. Anwender erhalten damit eine echtzeit-fähige Prozesskontrolle, die als bezahlbar gilt. Für dieses Projekt namens Pulloop entwickelten Forschende ein integrierbares Messsystem, das die Produktqualität in der laufenden Fertigung überwacht.
Faserverstärkte Kunststoffprofile (FVK) sind zentrale Bauelemente im modernen Leichtbau. Ihre Herstellung mittels Pultrusion bietet erhebliche Kostenvorteile gegenüber anderen Faserverbundprozessen und ist damit besonders für Branchen mit hohem Kostendruck relevant – beispielsweise Automotive, Windenergie und Bauwesen. Trotz der Wirtschaftlichkeit birgt die Pultrusion Unsicherheiten in der Praxis, insbesondere bei wechselnden Profilgeometrien und kleinen Losgrößen, wie typischerweise kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sie produzieren. Produktionsunterbrechungen führen zu Ausfällen, da aufwändige Reinigungs- und Rüstprozesse Produktionsausfälle verursachen. Bedingt durch die hohe Produktionsgeschwindigkeit führen unentdeckte Profilabweichungen zudem zu einer hohen Ausschussrate. Bisherige Systeme zur Qualitätsüberwachung in der Pultrusion sind entweder zu teuer oder zu aufwändig in der Einrichtung. Es fehlt eine kostengünstige Qualitätskontrolle, die eine direkte und verlässliche Rückmeldung über die aktuelle Bauteilqualität in kontinuierlichen Produktionsprozessen ermöglicht.
Streusensoren erfassen Oberflächendaten
Forschende entwickelten im Projekt Pulloop unter Leitung des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Optische Messtechnik und Oberflächentechnologien AZOM in Kooperation mit dem Fraunhofer Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV das Messsystem Surfinloop. Hierbei erfassen Streusensoren kontinuierlich Oberflächendaten und gleichen diese mit digitalen Referenzmodellen ab, wie etwa mit digitalen Zwillingen. In Kombination mit einer modular aufgebauten Software entsteht in einem Closed-Loop-Ansatz ein skalierbares System, das geometrische Toleranzabweichungen erkennt und eine direkte Rückkopplung an den Fertigungsprozess ermöglicht.
Das System besteht aus universell in verschiedene Anlagentypen integrierbare Messmodule, die es ermöglichen, Breite und Höhe an die spezifischen Anforderungen der Produktionsumgebung anzupassen. Die zentrale Steuerung übernimmt ein kompaktes und leistungsfähiges Edge-Gerät. Dieses lässt sich in bestehende Schaltschranksysteme integrieren. Eine speziell entwickelte Platine übernimmt die Steuerung und Stromversorgung von bis zu drei Messmodulen bei 24-Volt-Versorgungsspannung und wird über eine Standard-DIN-Hutschiene montiert. Die Kommunikation zwischen Modulen und Edge-Gerät erfolgt über marktübliche Schnittstellen wie USB und Ethernet unter Verwendung offener Netzwerkprotokolle, wie zum Beispiel MQTT. Zur Absicherung gegen Ausfälle können Recheneinheit und Messroutinen bei Spannungsabfall selbstständig neu starten, ein zusätzlicher Mikrocontroller überwacht die Funktion, und das System reagiert automatisiert auf Programmfehler oder Netzwerkausfälle.
Identifikation typischer Fehler
Der Auswertungsprozess beginnt mit der optischen Erfassung des Oberflächenprofils durch das Messsystem. Nach einer Vorfiltrierung der Rohdaten werden im Schritt der Parameterextraktion sowohl das Höhenprofil als auch die Streueigenschaften der beleuchteten Oberfläche bestimmt. Anschließend erfolgt die Fehlererkennung durch Bewertung von Profilgeometrie und Streueigenschaften, bevor die Daten mit Zeitstempel synchronisiert und zusammen mit Produktionsdaten wie der Abzugsgeschwindigkeit gespeichert werden.
Das System ist darauf ausgelegt, die typischen Fehlerbilder der Pultrusion zu identifizieren:
- Abrieb in Form von pulverförmigen oder festen Harzablagerungen sowie Riefen, verursacht durch nicht angepassten Faservolumengehalt, ungeeignete Temperaturprofile oder Werkzeugbeschädigungen,
- Imprägnierungsfehler wie trockene Fasern oder Risse im Profil, die durch zu hohe Harzviskosität, zu niedrigen Druck in der Imprägnierungskammer oder zu hohen Faservolumengehalt entstehen sowie
- Deformationen infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen Faser und Matrix oder fehlerhafter Faserverteilung, die zu Mikrorissen und strukturellen Schwächen führen können.
Die KI-gestützten Bildauswertungsalgorithmen übernehmen die eigentliche Fehleridentifikation, indem sie die Abweichungen im Produktionsprozess anhand von Profilgeometrie und Oberflächenstreueigenschaften präzise erkennen. Das Fraunhofer IGCV ergänzt das Projekt dabei mit Kompetenzen im intelligenten Prozessdatenmanagement und der strukturierten Aufbereitung von Wissen für den Transfer in kleine und mittlere Unternehmen. Ziel ist es, den Produktionsprozess nicht nur zu überwachen, sondern durch systematische Analyse und Rückkopplung robuster und effizienter zu gestalten. Die Speicherung der Daten trägt zur Qualitätssicherung und Rückverfolgbarkeit bei und liefert gleichzeitig wertvolle Informationen für die Verbesserung der Produktionsprozesse.
Technologie für den Mittelstand
„Bisherige Systeme zur Qualitätsüberwachung in der Pultrusion sind entweder zu teuer oder zu aufwändig in der Einrichtung“, erklärt Leander Kläber, Projektleiter am Fraunhofer AZOM. „Mit Surfinloop haben wir eine Lösung entwickelt, die speziell auf die Anforderungen kleiner und mittlerer Unternehmen zugeschnitten ist.“
Der entstandene Demonstrator erkennt bei Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu zwei Metern pro Minute Abweichungen von weniger als 100 Mikrometern. Der Einlernprozess der Software dauert ungefähr eine Stunde. Die Messtechnik lässt sich für wenige Tausend Euro pro System realisieren – ein Vorteil für den Einsatz in kostenkritischen Branchen wie dem Automobilbau oder der Windenergie.
Das System passt sich flexibel an unterschiedliche Anlagen an und skaliert auf verschiedene Bauteilgeometrien.
Ausblick
Das Projekt Pulloop zeigt, wie digitale Produktionstechnologien und KI-basierte Methoden auch für kleinere Unternehmen zugänglich werden. Die entwickelte Messtechnik trägt zur Steigerung der Qualität pultrudierter Profile bei und beschleunigt die Einrichtung von Pultrusionsprozessen. Die Kombination aus kostengünstiger Sensorik und fortschrittlichen Datenauswertungsstrategien ermöglicht die Inline-Charakterisierung kontinuierlicher Profile sowie die Closed-Loop-Steuerung auch für den Einsatz in mittelständischen Unternehmen.
Zukünftige Arbeiten konzentrieren sich auf die Entwicklung prädiktiver Algorithmen zur proaktiven Fehlererkennung, die basierend auf fortlaufend aufgenommenen Daten Rückschlüsse auf die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlern zulassen. Sie ermöglichen es zudem, proaktiv auf potenzielle Probleme zu reagieren, bevor sie sich auf die Produktqualität auswirken. Darüber hinaus sollen in weiterführenden Arbeiten Strategien zur Prozessregelung verfolgt werden, um eine präzisere Kontrolle über den Herstellungsprozess zu erlangen. Zu diesem Zweck sollen Langzeitversuche an der Pultrusionsanlage Korrelationen zwischen den auftretenden Fehlerbildern und den entsprechenden Produktionsparametern identifizieren, um Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Prozessvariablen zu gewinnen.
