Im Verbundprojekt mit dem Fraunhofer IPT und Industriepartner Taniq wird ein Prüfkopf für die Qualitätsüberwachung des lasergestützten Tape-Wickelns von FVK-Druckbehältern entwickelt. Den Prototypen will der ­Hersteller nun zur Serienreife bringen. 

Ob als mobile Tanks für Gas und Wasserstoff oder als stationäre Speicher: Druckbehälter aus Faserverbundkunststoff (FVK) gelten heute als Hoffnungsträger für Schlüsseltechnologien im Leichtbau. Bei einem höheren Bedarf an Druckfestigkeit wird der Behälterkern mit thermoplastischen Carbonfaser-Tapes verstärkt. Im Verbund-Forschungsprojekt Daqota mit dem Aachener Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie (IPT) und dem Rotterdamer Hersteller robotergetriebener Wickelanlagen Taniq hat Pixargus ein Inline-Prüfsystem entwickelt, das die Qualitäts­kontrolle der sicherheitskritischen Druckbehälter auf sichere und effiziente Füße stellt.

Messkopf prüft Dimension und Oberfläche von Carbon-Tapes

Am Fraunhofer IPT läuft das Carbon-Tape von der Spule durch den Prüfkopf des Prototypen von Pixargus. Das gewichts- und bauraumreduzierte System, eine Weiterentwicklung der Profilcontrol des Messtechnikherstellers, ist so kompakt und leicht gebaut, dass der optische Sensor am Roboterarm montiert werden kann. Unter dynamischer Last und in direkter Nähe zum Laserbearbeitungsprozess wird das Tape hier auf Herz Nieren geprüft. Der Maschinenarm, der das Carbon-Band in feinen Schichten auf den Druckbehälter lasert, verarbeitet und nutzt in Echtzeit die kontinuierlich erhobenen Qualitätsdaten und kann so den Wicklungsprozess optimieren. 

Das Produktionsszenario: Die Herstellung von Druckbehältern mit erhöhtem Bedarf an Druckfestigkeit. Die neue Prüftechnik: Können am Markt verfügbare Systeme heute nur entweder die Oberfläche oder die Dimension prüfen, hat der neue Zwei-in-Eins- Prototyp von Pixargus hier beides im Griff. Der optische Sensor detektiert in einer Messung Oberflächendefekte und die Dicke und Breite des Tapes. 

Sensor erkennt Gassen, Löcher, Risse

Bei der Oberflächeninspektion macht sich der Sensor die Lichtreflexion und -transmission zunutze. Typische Defekte wie Einschlüsse, Fransen oder andere Fehlstellen auf dem Tape werden im direkten Auflicht sicher erkannt. Gassen und Risse werden im Durchlicht detektiert. Das ermöglicht die speziell auf die Tape-Eigenschaften zugeschnittene Anordnung von Kameras und Beleuchtungselementen. Der optische Sensor erfasst bis zu 50 Millionen Pixel pro Sekunde mit einer Auflösung von rund 25 µm und detektiert Fehler ab einer Größe von 0,3 mm –bei einer maximalen Produktionsgeschwindigkeit von 18 m/min im Versuchsaufbau. 

Vorstoß in flache, dünne Dimensionen

Die Messung der Tape-Dicke und -Breite erfolgt im Versuchsaufbau per Lasertriangulation. „Beides ist herausfordernd“, weiß Stephan Hennicken, Produktmanager bei Pixargus. Die starke Absorptionseigenschaft des dunklen Carbon-Faser-Tapes stellt hier spezielle Anforderungen an die optische Laser-Triangulationsmessung. „Die Breite ist – wie sich im Projekt herausgestellt hat – nicht trivial messbar. Da sich das Tape beim Durchziehen durch das Inspektionssystem wölbt, bedarf es hier komplexer mathematischer Methoden zur Messung einer Kurvenlänge“, erzählt er. Im Projekt haben die Würselener Messtechnikexperten die Aufgabe gelöst – durch ein Zusammenspiel aus Beleuchtungs­konzept, einer bauraum­optimierten Konstruktion und angepassten Auswertungsalgorithmen.

 
Für Druckbehälter ohne Schwach­stellen: Der digitale Zwilling 

Einen zweiten Durchbruch im Verbundprojekt bringt Prüfingenieur Hennicken so auf den Punkt: „Wir können jetzt nicht nur die notwendige Qualitätseigenschaften des Faserverbundkunststoffbandes bei der Wicklung eines Druckbehälters detektieren – wir können die Qualitätsdaten des Tapes auch mit jeder Stelle des gewickelten Druckbehälters korrelieren.“ Das Messsystem ist dazu unter anderem mit einem Inkrementaldrehgeber für Wegeinformationen ausgerüstet. „Zusammen mit den anderen Daten des Tape-Legeprozesses besteht so die Möglichkeit einen digitalen Zwilling des Druckbehälters zu erzeugen.“ Dieser ermöglicht ein Reporting über die Druckfestigkeit jedes Behälters und eventuelle Schwachstellen – ein enormer Sicherheitsgewinn für die Produktion der Hochleistungsbehälter. Die Qualitätsdaten der Forschungsanlage können außerdem in Echtzeit zu Folgekomponenten kommuniziert werden und damit auch dort dabei helfen, Folgeprozesse zu optimieren. 

Nächstes Ziel: Serienreife

Nach Abschluss des Forschungsprojektes fällt die Bilanz des Messtechnikherstellers positiv aus. „Wir haben hier bei kleinster und leichtester Bauform trotzdem eine hohe Inspektionsleistung – mit und wegen einer systemunabhängigen Software-Lösung. Wir haben damit auch hier ein identisches HMI und die volle Vernetzbarkeit wie bei den großen Systemen“ resümiert Hennicken. Mit einem geeigneten Kundenauftrag würden die Würselener ihren Prototypen gern zur Serien­reife weiterentwickeln. Neues Know-how aus der Forschungs- und Entwicklungsarbeit will Pixargus aber auch an anderer Stelle nutzen. „Es gibt immer wieder Kundenanfragen zu bauraumreduzierten Systemmessköpfen“, verrät Vertriebsleiter Michael Frohn. „Das Thema wollen wir uns vornehmen.“ 

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben „Entwicklung und Optimierung eines Inline-Bandüberwachungssystems für die Inline-Qualitäts­sicherung zur Herstellung von Druckbehältern aus Hochleistungsmaterialien“ wurde im Projekt Daqota (Digitalisierte und qualitätsüberwachte Produktion von Druckbehältern aus Faserverbundkunststoff) im Rahmen des europäischen Förderprogramms Eurostars durchgeführt und die deutschen Partner werden aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Förderkennzeichen: 01QE1931C.

Autorin
Heike Freimann, Freie Journalistin