Qualitätsbewertung von Faser-Kunststoff-Verbunden mittels optischer Texturanalyse auf 3D-Preformoberflächen
Frieder Heieck
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines messtechnischen Verfahrens, um die prozessbedingten Variationen der Faserarchitektur im Entwicklungsprozess von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund berücksichtigen zu können. Hierfür erfolgen die Analyse von Zusammenhängen zwischen Faserarchitektur-Variationen und den mechanischen Werkstoffeigenschaften, sowie der Aufbau eines optischen Messsystems zur 3D-Preformanalyse.
Dafür werden am Beispiel der Flechttechnologie mittels Radialflechtmaschine und der einteiligen Stempelumformung von Gelegen real auftretende Faserarchitekturen analysiert und Korrelationsuntersuchungen mit den mechanischen Eigenschaften durchgeführt. Die Versuchsreihen beinhalten Geflechte mit niedrigem Bedeckungsgrad, einer hohen Faserarchitektur-Streuung und variabler Ondulation, sowie Gelege mit künstlich eingebrachten Gaps.
Durch Analyse der Faserarchitektur einzelner Geflechtlagen kann gezeigt werden, dass unter Zuhilfenahme prüfkörperindividueller Faserorientierungs-Informationen eine signifikante Verbesserung der Prognosegüte der Laminateigenschaften erreicht werden kann. Die Untersuchungen von offenen Geflechten und Gelegen mit Gaps weisen einen starken Zusammenhang von Festigkeiten mit (lokalen) Lücken in der Faserarchitektur nach, da diese Welligkeiten der angrenzenden Faserlagen bewirken. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass primär Zugfestigkeiten von den fertigungsspezifischen Faserarchitekturvariationen beeinflusst werden.
Die Erkenntnisse fließen in die Entwicklung eines optischen Messsystems zur 3D-Preformanalyse ein, welches mittels grauwertbasierter Bildverarbeitung die vollflächige Texturanalyse komplexer, dreidimensionaler Oberflächen ermöglicht. Das robotisch geführte Messsystem nutzt dabei einen monochromatischen Kamerasensor sowie eine neu entwickelte, diffuse Beleuchtung zur reflexionsarmen Aufnahme von Kohlenstofffaser-Halbzeugen. Zuletzt werden Anwendungsbeispiele für das optische Messsystem beschrieben. Dazu gehören verschiedene Routen zur Implementierung der Faserarchitekturinformation in den Auslegungsprozess, die Analyse drapierter Preforms zur Validierung von Prozesssimulationen und die vollflächige Faserorientierungsmessung einer geflochtenen C-Spant-Geometrie zur Prozessoptimierung.
