Pultrudierte, faserverstärkte Tapes werden bisher lediglich zerstörend oder optisch zerstörungsfrei geprüft. Wünschenswert wäre daher ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das kontaktfrei und schnell Risse, Einschlüsse und Änderungen in der Imprägnierung detektieren, also im Gegensatz zu optischen Verfahren das komplette Tapevolumen erfassen kann. Das in dieser Arbeit dazu verwendete Luftultraschallverfahren erfüllt all diese Anforderungen.

Kohlenstofffasern / -matten

Kunststoff Werkstoffe

Verstärkungsstoffe

Andere Werkstoffe

Faserverbundwerkstoffe

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Pultrusion

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

Ganzheitliche Betrachtung zur zerstörungsfreien Prüfung von thermoplastischen CFK-Tapes mittels Luftultraschall

Thermoplastischen Tapes wird Großes zugetraut. Sie sollen die nächste Generation der thermoplastischen Composites prägen. Dazu muss das Legen der Tapes hochgenau erfolgen. Allerdings darf die Tapeverarbeitung nicht zu aufwendig werden, damit die Wirtschaftlichkeitsrechnung aufgeht. Durch Kombination hochpräziser Steuerungssoftware mit Kameratechnik beim Tapelegen leistet Engel einen wichtigen Beitrag für den Durchbruch dieser Technologie.

Für eine hohe Fertigungseffizienz wird eine Tapelegezelle vorzugsweise mit zwei Robotern und einer Kamerastation ausgerüstet

Softwarebasiertes Tapelegen mit Kamera bereitet thermoplastischen Composites den Weg

Spritzgießen

Anlagen zur Composite-Herstellung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

UD-Tapes

Kameras

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Automatisierungstechnik

Optische Mess- und Prüfverfahren

Blick fürs Essenzielle

CFK-Bauteile sind häufig unter rauen Umweltbedingungen im Dauereinsatz und werden bei Beschädigung einfach durch neue Bauteile ersetzt. Mit einem neuen Verfahren können defekte CFK-Strukturen nun deutlich einfacher lokal repariert werden.

Bild 1. Übersicht über das simulationsgestützte Reparaturverfahren für CFK-Bauteile: Die Methode ermöglicht eine gezielte Reparatur der Schadstelle 

16:9

Verfahren zur Reparatur von CFK-Bauteilen ohne Spanen

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststofffasern

Reparieren statt austauschen

CFK verfügen in Abhängigkeit vom Carbonfasergehalt, der Faserlänge sowie der Orientierung der Fasern über eine inhärente Leitfähigkeit. Bisher wurde diese jedoch kaum beachtet oder als störender Effekt betrachtet. Richtig umgesetzt, lassen sich damit jedoch zusätzliche Funktionen wie EMV-Abschirmung und Heizleistung in Bauteile integrieren.

Bild 1. Spezifischer Oberflächenwiderstand verschiedener rCFK: Der Widerstand hängt sowohl vom Faservolumengehalt als auch dem Herstellungsverfahren ab 

Die elektrische Leitfähigkeit von CFK für Zusatzfunktionen nutzen

Fasern

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Elektronik

Mehr als nur Leichtbau

An der FPP-Technologie zeigen derzeit vor allem zwei Industrien besonderes Interesse: die Luft- und Raumfahrt bei der Automatisierung der Legeprozesse von Multimaterial-Leichtbauteilen mit Sandwichkern, sowie die Hersteller von CFK-Drucktanks für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge (FCEV).

Laminatverstärkung filamentgewickelter Drucktanks. Die Ausprägung der Patches und des Greifers ist an die Größe und Komplexität des Bauteils angepasst.

Neue Anwendungen und Kunden für die automatisierte Produktion von Faserverbundbauteilen

Greifer

Handling, Handhabungstechnik

Composite-Halbzeuge

Inspektionssysteme

Industrieroboter

Montagetechnik

Verstärkung im Anflug

Die BST eltromat International ist auf der diesjährigen ICE Europe (12.–14. März 2019 in München) gleich mit zwei Messeständen vertreten und präsentiert dort neue und weiterentwickelte Lösungen für die Qualitätssicherung in der Veredelung und Verarbeitung flexibler, bahnförmiger Materialien. 

Neue Features für die Inspektion 

Bildsensoren

Bildverarbeitungs-Software

Folien

Farbsensor

Qualitätssicherung in der Folienverarbeitung  

Im industriellen Umfeld setzen sich vermehrt Bildverarbeitungssysteme durch, die Inspektions-, Qualitätssicherungs- oder Produktionssteuerungsaufgaben vereinfachen oder überhaupt erst ermöglichen. Die Inline-Überprüfung auf Verunreinigungen von Kunststofffolien birgt jedoch einige Herausforderungen, die bislang noch nicht zufriedenstellend gemeistert werden konnten.  

Insekten und Schmutz bei der Nachbearbeitung von Kunststofffolien entdecken 

Bildverarbeitung, Machine Vision

Bildverarbeitungssysteme

Bildverarbeitungskomponenten

Blasfolienextrusion

Flachfolien- und Plattenextrusion

Optische Mess- und Prüftechnik

Verunreinigungen im Visier  

Die Terahertz-Technik erlaubt berührungslose Inline-Messungen im Mikrometer- bis Zentimeterbereich. Wanddicken von Rohren, Schläuchen und anderen Extrusionsprodukten können direkt im Produktionsprozess geprüft werden.

Terahertz-Prüfsystem zur Inline-Messung von Rohrwanddicken. Simultan an vier Positionen wird die Wanddicke von ein- und mehrlagigen Rohren ermittelt

Berührungslose Messung mit Terahertz-Wellen im Mikrometer- bis Zentimeterbereich

Mobile Koordinatenmesstechnik

Geometrische Messtechnik

Form- / Oberflächenmesstechnik

Rohr- und Profilextrusion

Extrusion

Lichtwellenmesstechnik

Inline-Messtechnik

Schichtdicken inline prüfen

Systeme zur Stichproben- oder Wareneingangskontrolle liefern Materialherstellern und -verarbeitern zentrale Informationen über Kontaminationen und eigene Herstellprozesse.

Probenträger mit Pelletprobe: Detektierte Kontaminationen werden farblich markiert. Am Monitor ausgewählte Pellets werden auf dem Probenträger per Fadenkreuz visualisiert

Mit automatischer Stichprobenkontrolle kombinierter Leuchttisch für Offline-Inspektion

Verunreinigungen automatisch finden

Bislang sind die für eine Haftung zwischen thermoplastischen Kunststoffen und Metalloberflächen relevanten Wechselwirkungen in der Grenzfläche nicht vollständig erforscht. Dieser Beitrag beschreibt mögliche intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Thermoplasten und Metalloberflächen, die für eine Haftung zwischen den Materialien wichtig sind. Die erreichbare Haftung zwischen Kunststoff und Metalloberfläche wird experimentell an spritzgegossenen Verbunden aus Polyamid 6 bzw. Polybutylenterephthalat und Aluminium untersucht und durch Ausreißversuche quantifiziert.

Intermolekulare Wechselwirkungen durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einer Carbonylgruppe in Polyamid und einer Metallhydroxidoberfläche

Polybutylenterephthalat

Thermoplaste

Hybridwerkstoffe

Polyamide

Aluminium

Metall Werkstoffe

NE-Metalle

Kupfer

Oberflächentechnik

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Intermolekulare Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Haftung zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen

Im Rahmen des Forschungsprojekts iComposite 4.0 ist es gelungen, die Kosten und die Durchlaufzeit für ein Prototypenbauteil deutlich zu reduzieren. Im Fokus standen dabei ein neuer Materialmix, der Einsatz des 3D-Faserspritzens und adaptives Formpressen.

Blick in das Produktionssystem, das für das Projekt iComposite 4.0 am AZL der RWTH Aachen aufgebaut wurde

Wirtschaftliche Produktion von FVK-Bauteilen in hohen Stückzahlen

Schröder, Susanne

Pressen von Kunststoffen

Selbstregulierende Produktionsanlage

Die Carbon Truck &Trailer GmbH kauft eine iPul-Strangziehanlage für Leichtbauprofile aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) der britischen KraussMaffei-Tochter Pultrex und produziert darauf Profilteile für rund 70.000 Fahrzeugchassis jährlich.

Eine iPul –Pultrusionsanlage von Pultrex ging jetzt bei Carbon TT in Buxtehude bei Hamburg in Betrieb

Leichtbau

Carbon TT setzt auf Pultrusionsanlage von Pultrex

Cannon Ergos kooperiert mit Boeing bei der Fertigung von Flugzeugkabinenverkleidungen aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen mit recycelten Carbonfasern.

737 Seitenwandprototyp mit recycelten Carbonfasern

Cannon Ergos untersucht in einem Gemeinschaftsprojekt mit Boeing die Nutzung recycelter Carbonfasern in der Fertigung von Seitenwandverkleidungen für Flugzeugkabinen.

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Abheben mit recycelten Carbonfasern

Sehr leichte und hochfeste Rohre und Profile aus Faserverbundwerkstoffen stellt die Ferdinand Stükerjürgen GmbH & Co. KG, Rietberg, her. Die Stükertec Profile mit hohem Leichtbaupotenzial werden durch das von der Technischen Universität Darmstadt entwickelte Profil-Armierungs-Ziehen hergestellt. Mit diesem Verfahren können prinzipiell alle Fasertypen und thermoplastischen Matrixsysteme in gängigen Halbzeugstufen verarbeitet werden. 

Rohre und Profile aus Faserverbundwerkstoffen 

Rohrbearbeitungsmaschinen

Wickelmaschinen

Profil-Armierungs-Ziehen 

Noris Plastic produziert Wickelhülsen aus thermoplastischen Kunststoffen, die hohen technischen Anforderungen entsprechen. Dank geringster Fertigungstoleranzen lassen die recycling- und mehrwegfähigen Hülsen technisch anspruchsvolle Prozessabläufe zu. Sie ermöglichen durch präzisen Rundlauf hohe Umlaufgeschwindigkeiten und damit schnelle Konfektionierungsprozesse. Anwendungspezifisch werden die Hülsen mit sehr glatten oder auch rauen Oberflächen produziert. Die Hülsen sind staubfrei sowie abriebfest und dadurch reinraumgeeignet. Im Gegensatz zu Papphülsen sind diese Hülsen kostengünstig im Freien lagerbar. Diese Kunststoffhülsen erreichen bei nur 6 mm Wanddicke eine Stabilität, die etwa einer doppelt so dicken Papphülse entspricht. Durch die flankierende Qualitätsüberwachung garantiert das nach DIN ISO 9001:2008 zertifizierte Unternehmen einen überdurchschnittlich hohen Scheiteldruckwert. Diese Eigenschaft verhindert, dass die Hülsen während des Aufwickelns der Produkte im Innendurchmesser kleiner werden. Im schlimmsten Fall können Hülsen aufgrund des geringen Scheitelstauchwiderstands auf so kleine Durchmesser reduziert werden, dass die Wellen der verarbeitenden Maschine nicht mehr in die Hülsen passen und das (teure) aufgewickelte Material erst gar nicht der Weiterverarbeitung zugeführt werden kann. Kostengünstig werden - abhängig vom Ausgangsmaterial - die Wickelhülsen auch aus Sekundärrohstoffen produziert. Standardmäßig sind die Hülsen in Längen von 5 mm bis 12 m mit Innendurchmesser von 5 bis 152 mm bei Wandstärken von 1 bis 15 mm lieferbar. Auf Wunsch sind Sonderabmessungen oder farbige Oberflächen möglich. 

Wickelhülsen für hohe Anforderungen 

Kunststoffwickelhülsen 

Einsatz einer Industriekamera zur Qualitätskontrolle bei der Herstellung des zylindrischen Bereichs von Typ-IV Druckbehältern im Nasswickelverfahren

Das Auftreten von prozessspezifischen Fehlstellen im Nasswickelverfahren erfordert eine Überdimensionierung der Bauteile. Im vorgestellten Beitrag wird die Entwicklung einer Qualitätskontrolle zusammen mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus auf Basis einer Industriekamera vorgestellt, mit welchen sich Fertigungsabweichungen im zylindrischen Bereich von Druckbehältern ermitteln lassen.

Insbesondere bei 700 bar Typ-IV Druckbehältern entstehen aufgrund der Überdimensionierung hohe zusätzliche Materialkosten. Für die Qualitätskontrolle wird eine Abstimmung der Einzelkomponenten des Messsystems sowie eine Integration in die Anlagentechnik durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass vor dem Ablagepunkt gemessen und über einen empirischen Spreizungsfaktor auf das endgültige Maß umgerechnet werden muss. Im Vergleich zu anderen Messverfahren ergibt sich ein hohes Potenzial zum industriellen Einsatz der Prüftechnik.

Vor dem Hintergrund dieser Forschungsarbeit soll zukünftig die Eignung des Messsystems erstmals auch im Polkappenbereich von Druckbehältern analysiert werden. Mittels der ausgegebenen Daten von Roboter- und Wickelachsenposition sowie denen des Messsystems wird ein Soll-Ist-Abgleich der Faserbandposition durchgeführt und in einer 3D-Rekonstruktion des Druckbehälters visualisiert. Dieser digitale Zwilling liefert wichtige Erkenntnisse bezüglich des realen Lagenaufbaus und kann dadurch zur realitätsgetreuen Simulation der Behältereigenschaften sowie zur Optimierung des Laminataufbaus herangezogen werden.

Wickelverfahren sind eine etablierte Fertigungstechnologie für konvexe rotationssymmetrische faserverstärkte Bauteile wie Antriebswellen und Rohre sowie aktuell verstärkt für mobile Druckbehälter zur Wasserstoffspeicherung für brennstoffzellenbasierte Antriebstechnologien [1]. Unabhängig von der Mobili-tätsindustrie führt die steigende Nachfrage nach brennstoffzellenbasierten Antriebstechnologien zu einem wachsenden Markt für Druckbehälter mit einem Betriebsdruck von 700 bar [2].

Deren gebräuchlichste Ausführung für diese Art von Anwendungen ist der TypIV Druckbehälter [3]. Aufgrund des Gefährdungspotenzials von Druckwasserstoff werden für Speicherbehälter hohe gesetzliche Sicherheitsfaktoren von 2,25 gefordert [4]. Zur Einhaltung des daraus resultierenden Mindestberstdruckes einer Charge müssen Druckbehälter zusätzlich überdimensioniert werden, was einen vermeidbaren Kostenaufwand darstellt [5].

Um ein besseres Verständnis des Herstellungsprozesses zur effizienteren Auslegung von Typ-IV Druckbehältern mit verringerter Überdimensionierung zu erlangen, ist es wichtig, die Art, den Ort und die Größe von Abweichungen zwischen dem entwickelten Laminataufbau und dem gefertigten Bauteil zu verstehen. In diesem Beitrag wird ein Konzept zum Aufbau vom Prozessverständnis durch die Inline-Erfassung der Faserbandablage im zylindrischen Bereich des Druckbehälters vorgestellt. Durch Bestimmung der realen Faserbandbreite, der Orientierung der Fasern und der Position des Faserbandes auf dem Druckbehälter kann die Faserbandablage beschrieben werden. Diese Informationen können zur Identifizierung von nachweislich festigkeitsmindernden Defekten, wie Lücken oder Überlappungen zwischen benachbarten Faserbändern, verwendet werden, die durch Abweichungen des Faserbandes im Herstellungsprozess im Vergleich zum simulierten Design des Druckbehälters induziert werden.

In diesem Beitrag werden zunächst Anforderungen an ein solches Messsystem zur inline-Erfassung der Faserbandablage definiert. Aus vorangegangenen Untersuchungen ist bekannt, dass sich die Faserbandbreite durch mechanische Spreizungseffekte noch nach der Ablage verändern kann, weshalb eine Detektion der Bandbreite nach der Ablage angestrebt wird [5]. Anschließend wird ein geeignetes Industriekamerasystem ausgewählt und in eine Nasswickelanlage zur Prozessüberwachung während der Herstellung von Umfangslagen eines Druckbehälters installiert. Zusätzlich wird ein Bildverarbeitungsalgorithmus zur automatisierten Detektion von Faserbandbreite und kantenwinkel vorgestellt.

Zuletzt wird das vorgestellte Messsystem mit einer bestehenden Lösung zur Erfassung der Faserbandablage auf Basis einer Infrarotkamera verglichen, um die Unterschiede der Systeme bezüglich Bilderfassung und Prozessinte-grierbarkeit zu diskutieren. Dabei wird Bezug zu einer eigenen Veröffentlichung genommen, in welcher das entsprechende Kamerasystem ausführlich vorgestellt wurde [6].

2.1 Bauteilfertigung im Nasswickelverfahren

Der konventionelle Prozessablauf beim Duroplast-Nasswickelverfahren ist in Bild 1 dargestellt. Ausgehend vom Gatter werden die einzelnen Rovings bei einer definierten Fadenspannung abgezogen, zu einem Faserband zusammengefasst und in einer Imprägniereinheit mit Harz beladen. Die Imprägnierung der Fasern kann durch Tauch-, Walzen-, Druck- und Vakuumimprägnierung erfolgen [7]. Bei der Walzenimprägnierung wird das Faserband über eine rotierende Imprägnierwalze geführt, die mit einem definierten Harzfilm beladen ist. Das Harz wird durch die Rotation der Walze aus einem temperierten Vorratsbehälter transportiert und durchströmt das Faserband in Dickenrichtung. Die im Faserband enthaltene Luft kann so nach oben entweichen, und die Imprägnier-qualität steigt entsprechend [7]. Voraussetzung für eine gute Imprägnierung ist eine ausreichend niedrige Viskosität des Harzes (&lt; 2 Pa*s), weshalb das Harzbad beheizt wird [1]. Das imprägnierte Faserband wird von einem Ablage-Manipulator entlang des Wickelweges auf dem Wickelkern platziert. Das Wickelmuster besteht aus helixförmigen und umlaufenden Lagen. Umfangs-schichten bedecken den zylindrischen Teil des Behälters und dienen zur Aufnahme von radialen Kräften durch den Behälterinnendruck, wodurch in den Fasern vornehmlich eine Zugbelastung vorliegt [8]. Eine hohe Kompressions-wirkung dieser Schicht auf die darunterliegenden Lagen ist für Umfangslagen ebenso charakteristisch wie die Möglichkeit hoher Wickelgeschwindigkeiten. Helixlagen lassen jedoch mehr Variationen zu. Abhängig vom Wickelwinkel können diese von verschiedenen Teilen des Kuppelbereichs helixförmig in den anderen Kuppelbereich gewickelt werden. Diese Lagen dominieren die axiale Festigkeit des Druckbehälters [8].

Abhängig vom verwendeten Harzsystem kann dessen Vernetzungsreaktion bereits im Wickelprozess beginnen. In der Regel folgt im Anschluss an den Wickelprozess die vollständige Aushärtung des Harzsystems in Temperieröfen. Das Bauteil wird während dieses Vorgangs rotiert, um eine schwerkraftgetriebene einseitige Harzanhäufung zu vermeiden [7].

2.2 Einflüsse auf die Qualität gewickelter Bauteile

Verschiedene Defekte im Laminat gewickelter Bauteile wie Lücken und Überlappungen zwischen benachbarten Faserbändern, Lufteinschlüsse oder Schwankungen im Faservolumengehalt können einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Bauteile haben. Das Vorliegen von Lücken und Überlappungen zwischen benachbarten Faserbändern ist im Polkappenbereich des Druckbehälters und an den Kreuzungspunkten von Helixlagen ein prozessbedingter Normalzustand. Im zylindrischen Bereich sind Lücken und Überlappungen in den meisten Fällen jedoch auf eine fehlerhafte Ablage des Faserbandes zurückzuführen und bieten ein vergleichsweise hohes Potenzial zur prozessbegleitenden Erfassung. Aus diesem Grund wird ein Messsystem zur Qualitätskontrolle im Umfeld des Ablagepunktes installiert. Im folgenden Kapitel erfolgt zunächst eine geometrische Beschreibung des Faserbandes, auf dessen Basis anschließend die verschiedenen möglichen Fehlerbilder erklärt werden können.

2.2.1 Geometrische Beschreibung des Faserbands

In vielen Anwendungen wie FEM-Simulationen und der Erstellung von Wickelprogrammen wird das Faserband mit einem rechteckigen Querschnitt angenähert. Wie in Bild 2 gezeigt, kann mit dieser Annahme ein theoretisch gut definiertes Laminat aufgebaut werden. Lokale Defekte wie Lücken und Überlappungen können visualisiert werden. Ausgehend von der Annahme eines rechteckigen Querschnittes kann das Band und damit das Laminat durch die Bandbreite und höhe, den Platzierungswinkel (Faserorientierung) und die Position des Bandes auf dem Wickelkern definiert werden. Diese Annahmen sind für viele Anwendungen ausreichend präzise. Um den Herstellungsprozess besser zu verstehen, muss jedoch erkannt werden, dass die Gültigkeit dieser Annäherung begrenzt ist. Die geometrische Verteilung des Faserbandes quer zur Ablagerichtung in einem realen Nasswickelprozess ist kaum bekannt, eine geeignetere Annäherung könnte jedoch die Beschreibung des Faserband-querschnittes mit einer Ellipse (frei geführt) bzw. halben Ellipse (nach der Ablage auf dem Wickelkern) sein. Auch wenn diese Annahme, wie in Bild 2 gezeigt, zu einem inhomogenen Design der Laminate führt, ist es dennoch mit Hilfe der Faserbandbreite, -orientierung und -position möglich, die Faserdisposition während des Herstellungsprozesses zu beschreiben. Zur Breitenänderung des Faserbands bei der Ablage infolge von mechanischen Spreizungsvorgängen und in Abhängigkeit von Wickelprozessparametern wurden weitere Analysen durchgeführt, welche separat publiziert werden.

2.2.2 Mögliche Fehlstellen im Laminat gewickelter Bauteile

Mögliche Defekte bei der Herstellung von Typ-IV Druckbehältern lassen sich nach ihrer Ursache oder dem Ort ihres Auftretens im Druckbehälter kategorisieren. Im Hinblick auf den Ort werden in Bild 3 drei Gruppen genannt: Defekte, die während des Herstellungsprozesses in der Oberfläche der Laminatschicht auftreten (Kategorie I), Defekte, die im Inneren des Laminats auftreten (Kategorie II), sowie Defekte, die zu Formabweichungen des Bauteils führen (Kategorie III). Die Ursache der Defekte kann aus vielen verschiedenen Aspekten abgeleitet werden, wie beispielsweise einer ungenauen Faserbandablage, dessen Harzbeladung, Schwankungen in der Faserband-breite, einer abweichenden Faserbandspannung während der Verarbeitung oder Anomalien in der Linergeometrie.

ཉཙཉཙཉཙIm Folgenden werden Defekte im Zusammenhang mit der Bandgeometrie bei der Faserablage diskutiert. Bei der Herstellung können Abweichungen der Faserbandbreite oder Ungenauigkeiten bei der Faserablage zu Lücken oder Überlappungen führen. Daher wird ein besseres Verständnis des Herstellungs-prozesses des Druckbehälters zu einem effizienteren Design und einer realitätsnahen Simulation von Composite-Druckbehältern beitragen.

Das Faserband besteht aus mehreren Rovings und diese wiederum aus einer Vielzahl von Einzelfilamenten. Das Faserband ist während des Prozesses in der geometrischen Form der Querschnittsfläche und in den Abmessungen in Breiten- und Höhenrichtung nicht konstant. Die endgültige Geometrie am Ablagepunkt ist abhängig vom Rovingtyp, der jeweiligen Materialcharge, der Faserzahl, der Harzbeladung, den zwischengeschalteten Führungs- und Spreizeinrichtungen, der aufgebrachten Faserspannung und der resultierenden Normalkraftkom-ponente, abhängig vom Krümmungsradius der Außenfläche des Wickelkerns.

Ist die tatsächliche Ausdehnung des Faserbandes kleiner oder größer als die bei der Simulation des Wickelweges angenommene Faserbandbreite oder treten Positionierungsungenauigkeiten bei der Faserbandablage auf, entstehen Lücken zwischen den Faserbändern oder Überlappungen der benachbarten Faserbänder, die wiederum zu einer ungleichmäßigen Schichtdicke führen. Während der Verarbeitung können sich Unregelmäßigkeiten in den nachfolgen-den Lagen ausbreiten und zu Folgefehlern im Laminataufbau führen. Aus diesem Grund sind Lücken und große Überlappungen zu vermeiden.

Wird das Band über einer Lücke in ähnlicher Orientierung, d. h. eine Umfangslage auf einer Umfangslage abgelegt, kann dies zu einem Abfall der Faserspannung in einem Abschnitt des über der Lücke liegenden Faserbandes führen. Durch den aufgrund der sinkenden Faserspannung geringeren Ver-dichtungsdruck an dieser, über der Lücke liegenden Stelle sinkt der lokale Faservolumengehalt [16], was die Festigkeit und Steifigkeit des Verbund-werkstoffes beeinflussen kann. In Untersuchungen von Croft et al. wurden in unidirektional verstärkten Testplatten Lücken und Überlappungen mit einer Ausdehnung von einer Faserbandbreite und der doppelten Faserbandhöhe integriert. Dabei zeigte sich, dass die Faserbewegung alle Lücken mit Fasern schloss. Dies führt jedoch zu einer hohen Faserwelligkeit im Laminat. Bei kleineren Lücken (halbe Faserbandbreite) wird dieser Effekt gehemmt und die Schliffbilder zeigen reine Harzbereiche [16]. Faserwelligkeiten stellen eine häufig in gewickelten Bauteilen auftretende Defektart dar [17], deren Entstehung durch die Homogenisierung von Lücken zusätzlich begünstigt wird. Deren negativer Effekt auf die Laminateigenschaften wurde beispielsweise von Kreikemeier et al. anhand von numerischen Analysen auf Basis der Methode der finiten Elemente (FEM) an einem repräsentativen Volumenelement untersucht. Dabei fiel die Steifigkeit in Faserrichtung bei einem Wellenamplituden/-längenverhältnis von 0,2 um 68 % ab [18].

Untersuchungen zum Einfluss von Lücken auf die mechanischen Eigenschaften von gewickelten Bauteilen sind bisher noch nicht durchgeführt worden. Verschiedene Ergebnisse wurden jedoch anhand von Plattenprüfkörpern generiert. In Berechnungen von Heinecke et al. wurden Lücken bzw. Überlappungen mit einem Ausmaß von ca. 10 % der Faserbandbreite in Platten angenommen, welche im Automated-Dry-Fibre-Placement (AFP)-Verfahren gefertigt und anschließend im Resin-Transfer-Molding (RTM)-Verfahren imprägniert wurden. Dabei wurden Lücken als Reinharzbereiche und Überlappungen als Bereiche mit erhöhter Nennsteifigkeit berechnet. Hierbei zeigte sich für Lücken und Überlappungen eine Reduktion der Zugfestigkeit um bis zu 9 % respektive 22 % [19]. In AFP-Testplatten mit Lücken und Überlappungen im Größenbereich einer halben Faserbandbreite konnten Lan et al. Einfallstellen und Fehlerfortpflanzungen in obenliegenden Faserlagen bis hin zu lokalen Aufdickungen an der Bauteiloberfläche feststellen. Prüfkörper mit Lücken zeigten dabei einen Abfall um 5–10 % im Schermodul in der Ebene [20].

Wenn die tatsächliche Breite des Faserbandes größer ist als die angenommene Faserbandbreite bei der Berechnung des Wickelmusters oder wenn bei der Platzierung des Faserbandes Positionierungsfehler auftreten, kommt es zu einer Überlappung benachbarter Faserbänder. Eine leichte Überlappung ist aufgrund des elliptischen Querschnitts des Faserbandes am Ablagepunkt sogar vorteilhaft für die Bildung einer gleichmäßigen Schichtdicke. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass eine leichte Überlappung nicht mit einem Verlust der mechanischen Eigenschaften verbunden ist. In der Theorie kann eine stärkere Überlappung jedoch zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung über dem Faserband führen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch die Wickelanlage näherungsweise keine Relativbewegungen der Faserfilamente in Abzugs-richtung zugelassen werden und die eingestellte Faserspannung theoretisch ausschließlich in den Filamenten auf dem größten Ablageradius (Überlappung) vorliegt. Im nicht-überlappenden Teil werden Filamente mit identischer Länge auf einer kürzeren Umfangsstrecke abgelegt, wodurch sich deren Spannung verringert. Dadurch wird die Bildung von festigkeitsmindernden Welligkeiten in diesen Fasern begünstigt, was zu einem reduzierten Verdichtungsdruck und in der Folge zu einem lokal verringerten Faservolumengehalt führt. Faserwellig-keiten können darüber hinaus ebenfalls in den nachfolgenden Lagen entstehen, welche auf Überlappungen mit entsprechender lokaler Aufdickung abgelegt werden [16]. Rach und Ivanovskii untersuchten den Einfluss des Überlappungs-grades auf die Laminat-Zugfestigkeit in Faserrichtung an unidirektional gewickelten Aramidfaser-Epoxidharz-Proben mit einem Kerndurchmesser von 200 mm. Eine Überlappung von ca. 25 % der Faserbandbreite führte dabei zu einer Verringerung der ursprünglichen Festigkeit um ca. 20 % [21]. Auch wenn das Vorliegen von Welligkeiten in diesen Untersuchungen nicht explizit nachgewiesen wurde, liegt dennoch eine signifikante Festigkeitsminderung durch Überlappungen vor. Die Spannung bei einem Überlappungsgrad von 2,5 % wurde verwendet, um die maximal zulässige Spannung zu normalisieren. Dies unterstützt die Annahme, dass eine geringfügige Überlappung nicht mit einem Verlust der mechanischen Eigenschaften verbunden ist.

3 Ansatz der inline Erfassung der Faserbandgeometrie im Nasswickelverfahren mit einer Industriekamera

Ein wichtiges Kriterium für die Inline-Detektion von qualitätsbestimmenden Fehlstellen im Wickelprozess ist die berührungslose Erfassung der benötigten Daten. Flächenhafte hochauflösende Industriekameras haben sich in industriellen Anwendungen, z. B. zur Qualitätsmessung von Vorformlingen [22], aufgrund ihrer hohen Robustheit und einfachen Handhabung etabliert. Das Funktionsprinzip entspricht herkömmlichen Kameras, jedoch weisen Systeme für den industriellen Gebrauch zumeist keine Bedienelemente wie Tasten oder Schalter auf und verfügen stattdessen über leistungsfähigere Schnittstellen zu Messrechnern und entsprechende Software. Daher wird die Inline-Bestimmung des Faserbandes im Nasswickelprozess durch den Einsatz einer Industrie-kamera untersucht.

Bei automatisierten Bildverarbeitungssystemen kommt der Bildakquisition eine zentrale Bedeutung zu. Aufwendige Algorithmen sind oftmals vermeidbar, wenn die Qualität der Aufnahmen an die zu bearbeitende Messaufgabe angepasst ist. Die charakteristischen Merkmale der Fehler müssen in ausreichendem Kontrast abgebildet und gleichzeitig störende Fremdeinflüsse nach Möglichkeit unterdrückt werden [23]. Daher wird im Folgenden der Einfluss verschiedener Parameter bezüglich der Kamerapositionierung sowie der Bildaufnahme-parameter untersucht, um einen geeigneten Messaufbau für die Inline-Detektion des Faserbandes zu identifizieren.

Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der inline-fähigen Erfassung der Faserbandbreite im zylindrischen Bereich des Druckbehälters, welche aufgrund des maschinenseitig konstanten Vorschubs einen direkten Einfluss auf die Ent-stehung von Lücken und Überlappungen zwischen benachbarten Faserbändern hat. In Kapitel 2 wurde aufgeführt, dass derartige Fehlstellen einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen Laminateigenschaften haben können. Die aus den Bandkanten berechenbare Position des Faserbandes auf dem Druckbehälter wird zukünftig in eine 3D-Rekonstruktion des Behälters implementiert, um über einen Soll-Ist-Abgleich Lücken und Überlappungen zu visualisieren und diese durch iterative Anpassungen des Wickelprogramms und der Prozessparameter zu eliminieren. Für eine präzise Bestimmung der Faserbandkanten, aus welchen sich die Faserbandbreite und die -orientierung berechnen lassen, muss der geeigneten Wahl von Kameraeinstellungen und Beleuchtungsparametern sowie dem Messort eine entscheidende Bedeutung beigemessen werden. Es ist ein Messort zu wählen, an dem die Faserbandkanten sicher erfasst werden können und gleichzeitig das Faserband eine repräsentative Geometrie erreicht hat. Aus vorangegangenen Untersuchungen ist bekannt, dass sich die Faserbandbreite durch mechanische Spreizungsvorgänge im Umfeld des Ablagepunktes erhöhen kann. Aus diesem Grund sollte eine Ermittlung der Bandbreite bestenfalls hinter dem Ablagepunkt erfolgen, um dessen endgültigen Wert aufzuzeichnen.

Die Messaufgabe besteht somit darin, die linke und rechte Kante des Faserbandes zu detektieren. Für die Entwicklung einer Messstrategie mit der Industriekamera wird folgendes Vorgehen gewählt:

· Es wird ein geeigneter Messort für die Bandüberwachung ausgewählt.

· Die Kamera und Beleuchtung werden relativ zum Messort positioniert.

· Die Beleuchtungsparameter werden definiert.

· Es wird die Eignung der Bilder für eine Kantenerkennung diskutiert.

· Es wird ein Algorithmus zur inline-fähigen Bildverarbeitung entwickelt und dessen Eignung für den realen Nasswickelprozess diskutiert.

Die Versuche werden auf einer Portalwickelmaschine vom Typ WSE IV der Fa. Josef BAER Maschinenfabrik KG, Weingarten, durchgeführt. Als Wickelkern dient ein PVC-Rohr, das den zylindrischen Teil des Druckbehälters mit einem Außendurchmesser von 200 mm darstellt. Als Materialien werden Kohlenstoff-fasern des Typs ITS50 der Fa. Teijin Carbon Europe GmbH, Wuppertal, zusammen mit einem Epoxidharz des Typs EPIKOTE Resin 04976 der Fa. Hexion Inc., Columbus, USA, eingesetzt.

Die monochromatischen Aufnahmen werden mit einer Industriekamera vom Typ VLXT-50M.I der Fa. Baumer Electric AG, Frauenfeld, Schweiz, erstellt. Die Kamera basiert auf einem CMOSSensor mit einer Auflösung von 2448 x 2048 Pixel und kann Bilder mit einer maximalen Bildwiederholrate von 163 fps aufnehmen. Zum maximalen Auflösungsvermögen macht der Hersteller in den Datenblättern keine Angaben. Diese kann jedoch aus der Pixelgröße von 3,45 µm berechnet werden (Kapitel 3.4). Die Kamera wird in dieser Arbeit mit einem Objektiv des Typs LM12JC5M2 der Fa. KOWA Europe GmbH, Düsseldorf, betrieben. Das Objektiv besitzt eine verstellbare Blende (Blendenzahl zwischen 1,4 und 16). Der minimale Arbeitsabstand wird mit 100 mm angegeben. Als Beleuchtung wird ein LED-Flachleuchtschirm (DTL-1010-BE, Fa. MBJ Imaging GmbH, Hamburg) verwendet, dessen Strahlengang in der optischen Achse der Kamera angeordnet ist.

Die Position der verwendeten Kamera liegt im Zenit über dem Ablagepunkt des einlaufenden Faserbandes und kann dort flexibel in alle Raumrichtungen verändert werden. Eine Mattscheibe auf dem Leuchtschirm erzeugt diffuse Strahlung, wodurch störende Reflexionen reduziert werden können. Die Anordnung der Kamera auf dem Wickelkörper ist zusammen mit einer repräsentativen Aufnahme in Bild 4 dargestellt.

Bereits im Vorfeld der Untersuchungen muss sichergestellt sein, dass das gewählte Kamerasystem für die Bilderfassung im Prozess geeignet ist. Dabei ergeben sich verschiedene Anforderungen hinsichtlich Robustheit für industrielle Umfelder, aber insbesondere auch an Kontrastierung, Bildwiederholrate, Messbereich und Auflösung.

Für die inline-Erfassung der Faserbandgeometrie am Ablagepunkt muss das Messsystem eine eindeutige Identifikation der beiden Faserbandkanten ermöglichen. Eine Herausforderung dabei ist der geringe Kontrast zwischen den schwarzen Kohlenstofffasern und dem ebenfalls schwarzen Untergrund. Erschwerend kommen die richtungs- und winkelabhängigen Reflektions-eigenschaften der Fasern und des Harzfilms hinzu. Im Rahmen dieser Veröffentlichung wird untersucht, inwieweit eine ausreichende Kontrastierung durch Messposition und Belichtungseigenschaften sichergestellt werden kann.

Die Bildwiederholrate beschreibt die Anzahl der Bildaufnahmen pro Zeiteinheit und gibt damit an, wie groß der Abstand zweier Messpunkte auf dem Wickelkörper in Abhängigkeit der Wickelgeschwindigkeit ist. Daraus ergibt sich die Anforderung, dass der Abstand zweier aufeinanderfolgender Bilder kleiner als die minimale Defektgröße in Wickelrichtung sein muss. Zum aktuellen Zeitpunkt liegen noch keine Informationen über reale Defektgrößen vor, weshalb dieser Wert im Rahmen dieser Veröffentlichung zu maximal 30 mm abgeschätzt wird. Bei einer anlagenbedingt maximalen Wickelgeschwindigkeit von vmax = 0,97 m/s ergibt sich folglich eine minimale Bildwiederholrate von 33 frames per second (fps).

Bei der optischen Bilderfassung ist der Messbereich, bedingt durch die begrenzte Tiefenschärfe einer Kamera, auch in vertikaler Richtung limitiert. Aus diesem Grund bestehen Anforderungen an den Messbereich in allen drei Raum-richtungen. Die Winkel der Faserbandablage im Bezug zur Wickelkörper-längsachse kann im realen Nasswickelprozess theoretisch zwischen 0 ° und 90 ° variieren. Bei der Herstellung von Typ-IV Druckbehältern treten üblicherweise Wickelwinkel α zwischen α = 22 ° und α = 90 ° auf. Der laterale Messbereich des Kamerasystems muss demnach ausreichend groß gewählt werden, dass die beiden Faserbandkanten bei jedem Wickelwinkel erfasst werden. Hierzu werden zwei laterale Hilfswerte ΔL1 und ΔL2 entlang der x- und y-Richtung der Messwerterfassung bestimmt, um den minimalen Bereich zur Erfassung der angenommenen Faserbandbreite zu definieren, Bild 5.

Um die Faserbandbreite auch unter schwankenden Prozessbedingungen verlässlich zu erfassen, wird der Messbereich um einen Sicherheitsfaktor k mit einem angenommenem Wert von k = 1,75 erweitert. Die Ermittlung dieses Faktors erfolgte iterativ im Rahmen von Voruntersuchungen. Der berechnete laterale Messbereich ist in Tabelle 1 dargestellt.

Auch in vertikaler Richtung ergeben sich Anforderungen an den Messbereich. Da sich der Abstand des Faserbandes zur Linse aufgrund einer vorhandenen Behälterunwucht von ca. 3 mm im Prozess periodisch ändert, muss eine ausreichende Tiefenschärfe des Messsystems sichergestellt sein. Zur Gewähr-leistung einer durchgehend scharfen Aufnahme muss der vertikale Messbereich mindestens dem Produkt aus Behälterunwucht und dem Sicherheitsfaktor gegenüber prozessbedingten Schwankungen k = 1,75 entsprechen, Tabelle 1. Während eine Definition der notwendigen Tiefenschärfe aus der Behälter-unwucht für den zylindrischen Bereich zulässig ist, müssen bei der Übertragung des Systems auf den Polkappenbereich zusätzliche Aspekte berücksichtigt werden. Beispielhaft zu nennen sind die komplexe Krümmung der Polkappe und der lokale Schichtdickenaufbau. Abhängig von der individuellen Kinematik der Wickelmaschine müssen zudem möglicherweise variierende Kameraabstände berücksichtigt werden, die durch Zustellen des Fadenauges zur Wickelkörper-längsachse entstehen können. Beim Einsatz des Messsystems für die vollumfängliche Produktionsüberwachung sollte folglich eine externe oder softwareseitige Adaptierbarkeit der Tiefenschärfe der Kamera in die Messsystemspezifikationen aufgenommen werden.

Als Auflösung wird die Fähigkeit eines Messgerätes bezeichnet, zwischen zwei nah beieinanderliegenden Messwerten zu unterscheiden [24]. Die Auflösung A eines Messsystems zur optischen Bilderfassung muss kleiner oder gleich fünf Prozent der Toleranz T des zu messenden Merkmals betragen [25]:

Aus den Untersuchungen von Rach und Ivanovskii ist bekannt, dass geringe Überlappungen benachbarter Faserbänder von bis zu 2,5 % ihrer Breite einen zu vernachlässigenden Einfluss auf die mechanischen Laminateigenschaften haben und daher als zulässig angenommen werden können [21]. Somit kann der maximale dmax und minimale dmin zulässige Abstand zwischen zwei angrenzenden Faserbändern mit einer Bandbreite von 24 mm ermittelt werden. Hieraus ergeben sich die untere (USG) und die obere Spezifikationsgrenzen (OSG) für den Abstand benachbarter Faserbänder:

Die Toleranz kann nun als Differenz der oberen und unteren Spezifikations-grenze berechnet werden [26]. Hieraus folgt aus Gleichung 1 für die Auflösung A:

Aus diesen Annahmen errechnet sich eine erforderliche Auflösung von A = 30 µm zur Lösung der Messaufgabe, Tabelle 1. Da die Faser im Bild unterschiedlich ausgerichtet sein kann, wird diese Auflösung für die x- und y-Richtung der Messwerterfassung gefordert.

Tabelle 1: Geforderte Kennwerte des Kamerasystems

4.1 Analyse geeigneter Einstellungen zur Bilderfassung

Zur Vereinfachung der späteren Bildverarbeitung sollten bereits bei der Bilderfassung große Bemühungen hinsichtlich eines ausreichenden Kontrastes sowie Auflösung unternommen werden. Im folgenden Unterkapitel werden die Untersuchungen zur Findung geeigneter Kamera- und Beleuchtungs-einstellungen sowie deren Positionierung unter Berücksichtigung der zuvor definierten Anforderungen vorgestellt und diskutiert.

Bei der Positionierung der Kamera und ihren Einstellungen wird eine hohe Auflösung in Kombination mit einem hohen Kontrast angestrebt. Der Kontrast ist definiert als der Helligkeitsunterschied zwischen benachbarten Bildelementen. Zwischen Kontrast und Auflösung besteht ein Zusammenhang, der auf den Wellencharakter des Lichts zurückzuführen ist. Das Licht wird an der Blende gebeugt, was zu einem Beugungsmuster mit konzentrischer Intensitätsverteilung auf dem Sensor führt. Liegen gegensätzliche Signale wie Hell und Dunkel nahe beieinander, kommt es zu einer Überlappung der Signale, was den Kontrast verringert. Daraus folgt, dass der Kontrast mit der Auflösung bei sehr kleinen Abständen abnimmt und die Blendenöffnung folglich einen Einfluss auf den Kontrast hat.

Positionierung des Messsystems relativ zum Messobjekt

Da die Objektbreite vom Arbeitsabstand der Kamera abhängt, folgt daraus, dass auch die Auflösung vom Arbeitsabstand abhängt. Um die auflösbaren Distanzen zu minimieren, sollte die Kamera so nah wie möglich am Objekt positioniert werden. Die begrenzenden Faktoren sind in diesem Fall der minimale Arbeitsabstand a des Objektivs und die Grenzen durch die Integration in den Wickelprozess. Bei einem vom Objektiv vorgegebenen minimalen Arbeits-abstand von a = 100 mm beträgt die physikalische Genauigkeit der Kamera 24 µm. Dies ist lediglich ein theoretischer Wert. In der Praxis muss die Auflösung mit dem Nyquist-Faktor 2 multipliziert werden [27]. Dies ergibt sich aus dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem, das besagt, dass mindestens 2*f äquidistante Messpunkte erforderlich sind, um ein Signal mit der Frequenz f zu rekonstruieren. Übertragen auf die Bildverarbeitung bedeutet dies, dass zur Rekonstruktion des Bildmaterials die doppelte Anzahl von Pixeln erforderlich ist. Damit verdoppelt sich die reale Auflösung der Kamera auf A = 48 µm.

Bei einem Arbeitsabstand von a = 100 mm betragen die Maße des erfassten Bildausschnittes 59,15 mm x 49,49 mm. Die Größe des lateralen Messbereichs heff liegt damit oberhalb der in Kapitel 3.2 definierten Mindestmaße von 42,0 mm x 38,94 mm. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Tiefenschärfe des Bildes muss jedoch die Blendeneinstellung angepasst werden, wodurch der scharf eingestellte Messbereich reduziert werden könnte. Aus diesem Grund kann an dieser Stelle noch keine Aussage über die Eignung des Messsystems für den Anwendungsfall getroffen werden.

Aus der gekrümmten Oberfläche des Wickelkörpers ergeben sich im Bild unterschiedliche Arbeitsabstände. Die Größen der scharfen Bildbereiche sind in Bild 6 in Abhängigkeit von der Blendenöffnung grafisch dargestellt. Unter Berücksichtigung des geforderten lateralen Messbereichs von 42,0 mm x 38,94 mm (Kapitel 3.2) wurde für die Untersuchungen in dieser Veröffentlichung eine Blendenöffnung von f/8 gewählt.

In Tabelle 2 sind die Anforderungen bezüglich lateralem und vertikalem Mess-bereich sowie der Auflösung für verschiedene Arbeitsabstände aufgezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Anforderungen an Tiefenschärfe und Auflösung mit dem eingesetzten Objektiv bei einem Arbeitsabstand von a = 100 mm nicht erfüllt werden können. Die hieraus resultierende Auflösung von A = 48 µm entspricht einer Breitenabweichung des erfassten Faserbandes von unter einem halben Millimeter für jede Bandkante, was zunächst für die Untersuchungen in dieser Veröffentlichung als akzeptabel angenommen wird. Zukünftig könnten Tiefenschärfe und Auflösung durch eine Anpassung des Objektivs oder eine Verringerung der Formabweichung des Wickelkörpers reduziert werden.

Bei der Auswahl eines geeigneten Messortes muss beachtet werden, dass die Kontrastierung der Aufnahme einer Industriekamera im sichtbaren Lichtspektrum erfolgt. Der sichtbare Unterschied zwischen schwarzer Faser und schwarzem Untergrund auf dem Kern ist dementsprechend gering. Eine mögliche Ausnahme hiervon stellt der Ablagepunkt der Fasern dar. Das einlaufende Faserband verläuft bis zu diesem Punkt oberhalb des Kerns, womit die Winkel zwischen einfallender Strahlung und Oberfläche am Kern und am Band unterschiedlich sind. In Bild 7 sind die Grauwerte in Querrichtung zum einlaufenden Faserband in vier verschiedenen Messpositionen dargestellt. Eine Aufnahme am Ablage-punkt (Position 1) oder dahinter wird angestrebt, da dort Spreizungseffekte durch die Interaktion zwischen Faserband und Untergrund berücksichtigt werden, welche einen signifikanten Einfluss auf die Geometrie des abgelegten Faserbandes haben. An dieser Messposition liegt für eine automatisierte Kantendetektion mittels eines Bildverarbeitungsalgorithmus jedoch kein ausreichender Kontrast zwischen Faserband und Untergrund mehr vor. Eine Messung vor dem Ablagepunkt (z. B. an Position 4) ermöglicht zwar einen ausreichenden Kontrast, allerdings wird die Faserbandspreizung bei der Ablage dort nur bedingt berücksichtigt. Folglich muss ein Kompromiss zwischen Datenqualität hinsichtlich der Kantendetektierbarkeit und der Aussagekraft auf die spätere Faserbandgeometrie getroffen werden. In dieser Veröffentlichung wird vor dem Ablagepunkt gemessen und der Effekt der Spreizung auf die Faserbandbreite über einen empirisch ermittelten Faktor berücksichtigt. Eine ausführliche Erläuterung der Vorgehensweise zur Ermittlung dieses Faktors ist in Kapitel 4.2.2 aufgeführt.

Die Bildhelligkeit nimmt mit der Belichtungszeit tB zu, da mehr Licht pro Bild die Fotodioden erreichen kann. Bei einer statischen Bildaufnahme erwies sich eine Belichtungszeit von tB = 2000 μs als geeignet. Hohe Wickelgeschwindigkeiten von v = 1 2 m/s führen dazu, dass sich einzelne Bildelemente während dieser Belichtungszeit um bis zu 4 mm verschieben und dadurch in der Aufnahme verwischen. Die Belichtungszeit sollte daher möglichst weit reduziert werden. Um dennoch eine ausreichende Helligkeit sicherzustellen, kann über die Betriebs-software eine künstliche Aufhellung (Gain) vorgenommen wird. Der Gain wird dimensionslos angegeben, wobei ein Wert von 1 keiner zusätzlichen Aufhellung entspricht. Es ist zu beachten, dass sehr hohe Gain-Werte zu einer Körnigkeit des Bildes führen, die die Auswertung beeinflussen kann.

Für die minimale Belichtungszeit von tB = 15 μs der Kamera ergibt sich bei der maximalen Geschwindigkeit der verwendeten Wickelmaschine von vmax = 0,959 m/s ein Versatz von 0,014 mm pro Bild, so dass auch bei höheren Wickel-geschwindigkeiten eine hohe Qualität der Bilder erreicht werden kann. Bei dieser Einstellung sind die Bilder deutlich unterbelichtet, sodass zum Zeitpunkt dieser Veröffentlichung ein Kompromiss zwischen Wickelgeschwindigkeit und Bildquali-tät getroffen werden muss. Im Rahmen der hier durchgeführten Untersuchungen erwies sich eine Belichtungszeit von tB = 200 μs als geeignet.

Eine Möglichkeit zur Steigerung der Bildhelligkeit bei geringen Belichtungszeiten stellt eine kurzzeitige Überversorgung der LED-Beleuchtung auf bis zu 400 % (2,4 A) dar, welche nicht dauerhaft, sondern lediglich im Blitzbetrieb angewendet werden kann. In Bild 8 ist ein Vergleich der verschiedenen Beleuchtungs-, Kamera- und Softwareeinstellungen bei einer Wickelgeschwindigkeit von ca. v = 0,1 m/s dargestellt. Es ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der Beleuchtungsintensität im Zusammenspiel mit dem Gain-Faktor als aussichtsreiche Option zur Reduktion der Belichtungszeit festgehalten werden kann.

Die verwendete Kamera ermöglicht eine Bildwiederholrate von maximal 163 fps. Bedingt durch eine begrenzte Übertragungs- und Speichergeschwindigkeit des Computers wird diese im realen Anwendungsfall jedoch auf 85 fps reduziert. Aus den Berechnungen in Kapitel 3.2 ergibt sich eine Forderung nach einer minimalen Bildwiederholrate von 33 fps bei einer anlagenbedingt maximalen Wickel-geschwindigkeit von v = 0,959 m/s und einer angenommenen minimalen Defektgröße von 30 mm. Für den industriellen Einsatz bei Wickelgeschwin-digkeiten von ca. v = 2 m/s ergibt sich eine minimal geforderte Bildwiederholrate von 67 fps. Folglich liegt die effektive Bildwiederholrate des hier verwendeten Kamerasystems für jeden Anwendungsfall oberhalb des geforderten Minimums.

4.2 Bildverarbeitungsalgorithmus zur Bestimmung der Faserbandkanten

Der nachfolgend beschriebene Bildverarbeitungsalgorithmus verfolgt das Ziel einer automatisierten Fehlererkennung bei der Faserbandablage auf dem Wickelkörper. Als Fehler werden hierbei Lücken und Überlappungen sowie Winkelabweichungen der Faserbandkanten betrachtet. Für einen ausreichenden Kontrast zur präzisen Kantenbestimmung müssen jedoch zuvor einige Schritte zur Bildvorverarbeitung unternommen werden.

Als Grundlage für eine schnelle und präzise automatisierte Bildverarbeitung muss bereits bei der Bildaufnahme eine bestmögliche Kontrastierung und Auflösung sichergestellt sein. Nichtsdestotrotz müssen die erfassten Bilder zur Kantendetektion zunächst vorverarbeitet werden. Dazu werden verschiedene Schritte durchgeführt, deren jeweiliger Effekt qualitativ in Bild 9 dargestellt ist.

Die Bildaufnahme hat eine Größe von 2448 px x 2048 px mit einer Auflösung von 48 µm/px und ist damit deutlich größer als notwendig. Eine Verkleinerung des Bildes auf eine Breite von 800 px (Faktor 3,06) ist für die Fehlererkennung ausreichend und führt zu einer höheren Rechenleistung (verarbeitbare Bilder pro Zeiteinheit) und geringerem Speicherbedarf.

01022022_Kunststofftechnik.pdf

Mit einer Industriekamera wird ein Druckbehälter während des Einlaufens von Faserbändern auf Fertigungsabweichungen untersucht.

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Autoren Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann, Nadine Magura, M.Sc., Robert Müller, M.Sc., Daniel Schneider, M.Sc., Dr.-Ing. Kai Fischer Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen

Sprache Der Artikel liegt in deutscher Sprache vor.

Erschienen in Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 18 (2022) 2, Seite 63 – 92 © Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG ISSN 1864 – 2217