Effiziente Fertigungstechnologie: Integrierte Sensoren sichern und überwachen Herstellung dickwandiger CFK-Strukturen

Wie wirksam faseroptische Sensoren sind, um die Prozesse während der Herstellung großer Faserverbundbauteile im Vakuuminfusionsverfahren zu überwachen, zeigt „Infusion 4.0“, ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördertes Projekt. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF hat zusammen mit dem Projektpartner MT Aerospace AG bislang versteckte Prozessabschnitte sichtbar und digital kontrollierbar gemacht, was die Prozesssicherheit erhöht. Diese neue, effiziente Fertigungstechnologie unterstützt die zuverlässige und schnelle Entwicklung von Luft- und Raumfahrtprodukten.

Mit CFK-Boostergehäusen fertigt die MT Aerospace AG in Augsburg große CFK-Bauteile (carbonfaserverstärkter Kunststoff) in der Raumfahrt im Vakuuminfusionsverfahren. Bei der Vakuuminfusion wird eine trocken gewickelte Vorform in einem Vakuumsack durch Harz infiltriert, und währenddessen werden die Elemente in einem Ofen langsam gedreht. Um die Fließfront des einströmenden Harzes zu überwachen und Prozesse zu optimieren, wird eine intelligente Sensorik benötigt. Wissenschaftler aus dem Fraunhofer LBF bringen zu diesem Zweck mit dem Industriepartner Glasfasersensoren bereits beim Wickeln in das Bauteil ein, die dann in diesem wichtigen Fertigungsschritt die Harzverteilung kontrollieren.

Jede Sensorfaser enthält mehrere der insgesamt über 60 Glasfasersensoren. Die Fließfront ist die Linie, an der das Harz zuerst mit den trockenen Fasern in Kontakt kommt. Für die Prozessüberwachung der digitalen Durchflussfronterkennung müssen die Signale vom rotierenden Teil im Ofen an einen Computer außerhalb übertragen werden. Dort zeigt eine digitale Darstellung der Sensorposition auf dem Bauteil, wann die Fließfront den Sensor erreicht. »Erstmals erhalten wir im Herstellungsprozess solch dickwandiger Teile transparente Informationen und erhöhen die Prozesssicherheit von Vakuuminfusionsprozessen«, erklärt Martin Lehmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fraunhofer LBF.

Die neue Fertigungstechnologie macht bislang versteckte Prozesse sicht- und digital kontrollierbar, was die Prozesssicherheit erhöht. Der Informationsgewinn durch die Automatisierung des Harzflusses sichert die Reproduzierbarkeit und die Qualität des neuen Produktes und ermöglicht bei Bedarf ein gezieltes Eingreifen noch während der Fertigung. Dank verbesserter Steuerung lässt sich der Serienhochlauf beschleunigen, was die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens steigert.

Integrierte Sensoren monitoren Fließfrontprozess und senken Fertigungskosten
Darüber hinaus kann die neue Technologie eine künftig automatisierte Steuerung des Fertigungsprozesses im Sinne von Industrie 4.0 ermöglichen und dank integrierter Sensoren lässt sich eine Strukturüberwachung (Structural Health Monitoring - SHM) bereits ab der frühesten Phase des Lebenszyklus realisieren.

In einem Wettbewerb erreichte die Projektidee von „Infusion 4.0“ bereits 2017 den dritten Platz der Innospace Masters Challenge des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), und war Finalist beim Innovationspreis der Deutschen Luftfahrt 2018 was den Forschungsbedarf in diesem Umfeld aufzeigte. Der erfolgreiche Projektabschluss im Oktober 2019 bestätigte die Herangehensweisen der Darmstädter Wissenschaftler und ihrer Augsburger Kollegen.

Das Projekt „Infusion 4.0 - Fließfronterkennung im Vakuuminfusionsprozess eines
CFK-Boostergehäuses mit faseroptischen Sensoren“, wurde laut Beschluss des Deutschen Bundestages vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.