Polarisationskamera für die Inspektion von CFK-Gewebe

Die am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Erlangen, entwickelte Polarisationskamera POLKA erschließt der CFK-verarbeitenden Industrie eine neue Prüfmethode zur Inspektion von Kohlefaserverbundwerkstoffen bereits während der Produktion.

Überall dort, wo Bauteile mit hoher Stabilitität und gleichzeitig geringem Gewicht benötigt werden, erobern kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zunehmend den Markt. Insbesondere in der Automobilindustrie und im Flugzeugbau, bei der Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen oder ganz allgemein bei der Produktion von hochbelasteten Bauteilen sind sie auf dem Vormarsch.

Allerdings muss bereits in der Produktion berücksichtigt werden, welchen Kräften das fertige Bauteil im späteren Betrieb ausgesetzt sein wird. Denn Kohlefasern sind nur in Faserrichtung besonders zugfest. Die gewünschte Stabilität kann nur erreicht werden, wenn bei der Aufschichtung der einzelnen CFK-Gewebematten enge Toleranzen im vorgegebenen Faserverlauf eingehalten werden. Bereits Abweichungen des Faserwinkels um 5° können zu einer Verringerung der Festigkeit von bis zu 50% führen.

Polarisationskamera POLKA
© Fraunhofer IIS, Erlangen

Polarisationskamera POLKA

Die Kontrolle der Kohlefasern während der Produktion ist somit ein sehr wichtiger Schritt zur Qualitätssicherung des Bauteils. Die Polarisationskamera POLKA liefert hierfür die nötigen Messwerte nach einem völlig neuen Funktionsprinzip. Sie nutzt einen von den Entwicklern der Kamera entdeckten physikalischen Effekt: einfallendes, unpolarisiertes Licht wird von Kohlefasern linear polarisiert, wobei die Polarisationsrichtung abhängig von der Faserrichtung ist. POLKA misst die Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts und gewinnt daraus unmittelbar die Faserrichtung.

Dieses neu entwickelte Prüfverfahren überwindet viele Hürden, die typischerweise die Faserkontrolle in der CFK-Produktion behindern. Beispielsweise kann die Faserrichtung selbst durch transparente Harze hindurch gemessen werden. Dadurch ist eine Prüfung auch beim Drapieren von harzgetränkten Gewebematten möglich. Die Kamera liefert sogar für unscharfe Bildbereiche zuverlässige Messwerte, was die Prüfung von dreidimensionalen Bauteilen vereinfacht. Die Daten werden in Echtzeit zur Verfügung gestellt, sodass eine Livekontrolle des aktuellen Arbeitsschritts möglich ist. Frühzeitig erkannte Fehler können korrigiert und so Ausschuss und Kosten minimiert werden.

Für jede Messung genügt eine einzige Aufnahme. Damit können auch bewegliche Objekte (bspw. auf einer Fertigungsstraße) problemlos erfasst werden. Bei POLKA handelt es sich um eine industrietaugliche Kamera, deren Gehäuse je nach Anwendung noch weiter miniaturisiert werden kann. Sie verfügt wahlweise über eine GigE-Vision- oder USB3-Schnittstelle und kann somit an jeden Rechner angeschlossen werden. Die Kamera ist ohne mechanische Kalibrierung im Handumdrehen einsatzbereit. Eine schnelle Anpassung der Optik an den jeweiligen Anwendungsfall ist durch den C-Mount-Objektivanschluss möglich, der den Einsatz von Standardobjektiven erlaubt. Für die Analyse der Livebilder kommt eine eigens entwickelte Software mit Bedienoberfläche zum Einsatz, die die gewonnenen Informationen je nach Bedarf unterschiedlich visuell aufbereitet. Es werden die Lichtintensität, der Grad sowie der Winkel der Polarisation in Falschfarben dargestellt. Das einfach zu bedienende System ermöglicht einerseits einen Livebetrieb für direkte Arbeiten am Werkstück, es kann jedoch auch eingesetzt werden, um die Schichtung der Fasern zu dokumentieren und Aufnahmen für die Qualitätskontrolle zu speichern.

Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist die produktionsbegleitende 100-Prozent-Prüfung von Glas. Beim Abkühlprozess in der Glasherstellung können Restspannungen im Material entstehen, welche die Bruchgefahr erhöhen. POLKA misst die Materialspannung im Inline-Betrieb. Diese Information wird zum Optimieren der Fertigungsschritte genutzt und führt wie bei der CFK-Prüfung direkt zu geringerem Ausschuss, Energieersparnis und gesicherter Qualität des Endprodukts.

POLKA kann ab 2016 bei ausgewählten Händlern bezogen werden.

Mit der Polarisationskamera ist die Inspektion von CFK-Gewebe möglich
© Fraunhofer IIS, Erlangen

Mit der Polarisationskamera ist die Inspektion von CFK-Gewebe möglich

Anwendungsbereiche

  • Qualitätssicherung (z.B in der Herstellung von CFK-Gewebe, in Webereien, bei Prepregs, Glas)
  • Werkstoffprüfung
  • Zerstörungsfreie Prüfung
  • Sortierlösungen (z.B für Recycling)
  • Prozesskontrolle (z.B bei Halbzeug, wie Blech)

Alleinstellungsmerkmal

  • Einfache, leichte Handhabung
  • Die Kontrolle der Kohlefasern wird damit in einem sehr frühen Stadium der Fertigung möglich (> weniger Ausschuss, niedrigere Produktionskosten, höhere Qualität, zufriedenere Kunden, mehr Absatz/Gewinn)
  • Im Gegensatz zu den bisher gebräuchlichen optischen Verfahren werden hier keine hochauflösenden Kameras mehr benötigt, mit POLKA funktioniert die Analyse auch unter ungünstigen Bedingungen
  • „One-Shot“ Bilderfassung, höhere Framerate (mehr Durchsatz, da nur 1 einzige Aufnahme ausreicht um alle relevanten Parameter zu erhalten)
  • kein Verschleiß (da keine bewegten Bauteile verbaut wurden)
  • kleines, leichtes Gehäuse (je nach Kundenwunsch adaptierbar und miniaturisierbar)
  • Verwendung von Standardobjektiven möglich (C-Mount Objektivadapter)
  • System kann an jeden Rechner angeschlossen werden
  • Software zur Visualisierung der Ergebnisse
  • Speicherung der Ergebisse zur späteren Analyse