Temperaturüberwachung mit Wärmebildkameras für Prozesskontrollsysteme beim Automated Fiber Placement

Warum thermische Stabilität beim Automated Fiber Placement entscheidend ist

Das Automated Fiber Placement reagiert äußerst empfindlich auf lokale Temperaturschwankungen während des Fertigungsprozesses. Beim thermoplastischen AFP beeinflusst der Temperaturverlauf im Bereich des zugeführten Faserbands, des Substrats und des Konsolidierungspunkts den direkten Kontakt zwischen den Lagen, die Verbindung der Laminatschichten, die Abkühlgeschwindigkeit, die Kristallinität und damit letztlich die Qualität des Laminats.

Die zugrunde liegenden Studien zeigen, dass Veränderungen der Ablegegeschwindigkeit, Faserorientierung, Anpresskraft oder Erwärmungsbedingungen den gesamten Temperaturverlauf und somit die Konsolidierungsqualität beeinflussen können. Dies gilt selbst dann, wenn die sichtbare Temperatur am Konsolidierungspunkt nahe dem vorgegebenen Sollwert liegt.

Insbesondere die Faserorientierung beeinflusst den direkten Kontakt und den thermischen Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Lagen. Dadurch verändert sich wiederum die Temperaturentwicklung innerhalb des Laminats. Eine kontinuierliche Temperaturüberwachung ist daher eine wesentliche Voraussetzung, um stabile und reproduzierbare Prozessfenster sicherzustellen.

Untersuchungen aus der Fertigungstechnik zeigen zudem, dass eine Prüfung nach dem Ablegeprozess für viele AFP-Defekte zu spät erfolgt. Manuelle Inspektionen und Nacharbeiten können einen erheblichen Anteil der gesamten Fertigungszeit beanspruchen. Die prozessintegrierte Überwachung ermöglicht dagegen, ungewöhnliche Prozessbedingungen frühzeitig zu erkennen und darauf zu reagieren, bevor sich Fehler dauerhaft im Bauteil ausbilden.

Für AFP-Anlagen, die auf höhere Produktionsgeschwindigkeiten und geringere Ausschussquoten ausgelegt sind, gehören prozessrelevante Temperaturdaten daher zu den wichtigsten Eingangsgrößen für eine zuverlässige Prozessregelung.

Optris-Lösung zur Temperaturüberwachung beim AFP

Optris-Wärmebildkameras werden direkt in den Ablegeprozess integriert, um die Oberflächentemperatur des Laminats kontinuierlich und in Echtzeit zu überwachen.

Eine Optris PI-Wärmebildkamera ist Bestandteil eines AFP-Systems von Coriolis, bei dem die Oberflächentemperatur des Laminats kontinuierlich erfasst wird. Gleichzeitig lassen sich Maschinenparameter wie Laserleistung, Ablegegeschwindigkeit und Anpresskraft über die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) steuern.

Zum Einsatz kommt eine Optris PI-Wärmebildkamera mit einer Bildfrequenz von 80 Hz, einer Auflösung von 382 × 288 Pixeln und einem kalibrierten Temperaturmessbereich von −20 °C bis 900 °C. Sie erfasst die Temperatur des Substrats und des zugeführten Faserbands bis zum sichtbaren Konsolidierungspunkt.

Für AFP-Anwender übernimmt die Wärmebildkamera damit die Funktion eines visuellen Prozesssensors für die Erwärmungszone. Im Gegensatz zu einer punktuellen Temperaturmessung liefert sie flächenhafte Temperaturinformationen über das Faserband und das Substrat. Dadurch lassen sich eine ungleichmäßige Erwärmung, Prozessabweichungen und lokale Instabilitäten über die gesamte Ablegebreite leichter erkennen.

In der Praxis können die Wärmebilder genutzt werden, um tatsächliche Temperaturverteilungen mit erwarteten Temperaturmustern zu vergleichen, Alarme auszulösen und die thermischen Prozessbedingungen für die Qualitätssicherung zu dokumentieren.

Darüber hinaus unterstützen die Messdaten eine geschlossene Regelung oder eine übergeordnete Anpassung von Laserleistung, Ablegegeschwindigkeit und Anpresskraft über die Maschinensteuerung.

Diese Regelungsarchitektur stellt eine direkte Weiterentwicklung des in den zugrunde liegenden Untersuchungen beschriebenen Echtzeitansatzes dar, bei dem Prozesszustände kontinuierlich erfasst, analysiert und durch entsprechende Steuerungsmaßnahmen korrigiert werden.

Wärmebildtechnik als Werkzeug zur Prozesskontrolle

Der Einsatz einer Optris-Wärmebildkamera in der AFP-Prozesskontrolle bietet Vorteile auf drei Ebenen: Überwachung, Optimierung und Qualitätssicherung.

Zunächst ermöglicht die Wärmebildtechnik eine kontinuierliche, berührungslose Temperaturüberwachung des erwärmten Faserbands und des Substrats unmittelbar vor der Konsolidierung. Dies ist insbesondere beim thermoplastischen AFP entscheidend, da das Prozessfenster für eine zuverlässige Verbindung der Laminatschichten eng begrenzt ist und stark vom jeweiligen Temperaturverlauf abhängt.

Darüber hinaus liefert die Wärmebildkamera Prozessdaten, die mit Maschinenparametern wie Laserleistung, Ablegegeschwindigkeit, Anpresskraft und Werkzeugtemperatur korreliert werden können. Dies erleichtert die Inbetriebnahme, unterstützt die Entwicklung stabiler Prozessparameter und verbessert das Verständnis dafür, warum bestimmte Parametereinstellungen zu einer höheren Laminatfestigkeit führen als andere.

Schließlich unterstützt die Wärmebildtechnik den Übergang von einer nachgelagerten Qualitätsprüfung hin zu einer kontinuierlichen, prozessintegrierten Kontrolle.

Die zugrunde liegende Untersuchung zur AFP-Prozessregelung zeigt, dass die Kombination aus Echtzeitsensorik und automatischer Maschinenreaktion die Ausbreitung von Defekten begrenzen und die Mikrostruktur des fertigen Laminats verbessern kann.

Obwohl in der untersuchten Anlage mehrere Sensoren kombiniert werden, lässt sich dasselbe Prinzip auf die thermische Prozessüberwachung übertragen: Ungewöhnliche Prozessbedingungen werden frühzeitig erkannt, sodass Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können, bevor der Fehler die kritische Ablegezone erreicht. Dadurch sinkt das Risiko nachgelagerter Ausschuss- und Nacharbeitsprozesse.

Für Hersteller, die eine höhere Wiederholgenauigkeit beim thermoplastischen Automated Fiber Placement anstreben, ist eine Optris-Wärmebildkamera daher weit mehr als ein reines Temperaturmessgerät.

Sie dient als praxisgerechter Prozesssensor, der den Wärmeeintrag stabilisiert, eine gleichmäßige Verbindung zwischen den Laminatschichten unterstützt und eine umfassendere Rückverfolgbarkeit der AFP-Fertigungsprozesse ermöglicht.