Methoden der Prozessüberwachung und Steuerung für einen ... · Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie Motivation: Prozessüberwachung

Methoden der Prozessüberwachung und Steuerung für einen qualitätsgesicherten Autoklavprozess

Hr. M. KühnDr. M. Meyer

29.09.2011

Institut für Faserverbundleichtbau und AdaptronikZentrum für Leichtbauproduktionstechnologie

InhaltMotivation

Ziel

Infrastruktur

Prozesskenntnis

Steuerung

Sensorik

Projektteam


Motivation: Prozessüberwachung Autoklav

Stand der Techink

Gegenwärtige Autoklavprozesssteuerungen und –regelungen realisieren einen vorgegebenen Temperatur- und Druckzyklus

Werkstoff BauteilZielqualität wird durch zeit- und kostenintensive Iteration der Prozessparameter erreichtSchwankende Produktqualität im SerienprozessProduktqualität lässt sich im Allgemeinen erst nach dem Prozess feststellenRückkopplung zum Prozess in der Regel nur durch Temperatur- und Drucksensorik, ggf. Aushärtesensorik und LaborbegleitprobenHohe Sicherheitsfaktoren für die Prozessdauer (Haltephasen) zugunsten der Qualität (Angstzyklus)


Ziel

Realisierung einer dynamischen AutoklavsteuerungFrage 1:

Was geschieht mit meinen Bauteil im Autoklaven?Erfassung aller qualitätsrelevanten Parameter im Autoklaven!Automatische Auswertung der Parameter und Rückführung in die Steuerung!Prozesssichere Integration der notwendigen Sensorik!

Frage 2:Welche Möglichkeiten der Einflussnahme habe ich, um Änderungen vorzunehmen?

Untersuchungen an Prüfkörpern Variation der Parameter!Erarbeitung von qualitäts- und produktivitätsoptimierten Prozessen!Aufbau einer Datenbank!

Frage 3:Trägheit der Anlage, Vorhersage des Prozesses

Aufbau eines Simulationsmodells und Integration in die Autoklavsteuerung


Zielsystem


Infrastruktur

Spezifizierung nach:bekannten und zukünftigen ForschungsaufgabenForschung im Industriemaßstab Flexible und erweiterbare Auslegung

AutoklavspezifikationBeschickungsdurchmesser: 5,80 mBeschickungslänge: 20 mMax. Betriebstemperatur: 420°CMax. Betriebsdruck: 10 barSchutzgasbetrieb

Zusatzausrüstung10 beheizbare Sichtfenster zur BauteilbeobachtungZusätzliche Stutzen zur Sensorintegration selbst im DeckelUmbaubarer Strömungskanal zur Anpassung an verschieden BauteileIntegration einer verfahrbaren Thermokamera imAutoklaven


Zielsystem


Prozesskenntnis

Einflussnahme auf die Bauteilqualität

Erarbeitung von qualitäts- und produktivitätsoptimierten AutoklavzyklenErmittlung der Auswirkung von Parameteränderungen auf die LaminatqualitätErarbeitung von Prozessstrategien zur Einflussnahme auf die Produktqualität durch Anpassung der Prozessparameter

Aufnahme der Daten in einer Datenbank Integration in die Autoklavsteuerung Entscheidungsfindung

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Zielsystem


Autoklavprozesssteuerung

MasterboxEntwicklung eines übergeordneten Rechnersystems zum Erfassen, Verarbeiten und Analysieren von Sensor- und Simulationsdaten sowie transformieren dieser Daten in Steuerbefehle für den Autoklaven

StatusAufbau des Rechnersystems bestehend aus zentralerRecheneinheit, Datenerfassungsgeräte, Ultraschallmesssystem und Kühlsytem mit integrierterKohlenstaubschutz abgeschlossen.Umfangsreiche Softwareumgebung zur Erfassung, Verarbeitung, Protokollierung und Speicherung von Messdaten erstelltSchnittstellen (Autoklav, Simulation) definiert und aufgebaut

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Autoklavprozesssteuerung

Virtueller AutoklavEntwicklung eines Simulationstools, das den gesamten Autoklavprozess in einem realitätsnahen Modell wiedergibtEntwicklung einer 3D-Basisisimulation zur Voroptimierung des Autoklavprozesses (Bauteilpositionierung, Zyklenoptimierung, Strömungsoptimierung, WerkzeugoptimierungEntwicklung einer 2D-Echtzeitsimulation

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Zielsystem


Sensorik

AufgabeBereitstellung der notwendigen Sensorik und Integrationskonzepte(Autoklav, Formwerkzeug) zur Erfassung aller qualitätsrelevanten Parameter

StatusRecherche in den folgenden Bereichen weitesgehendabgeschlossen

Temperatursensorik (punktuell, Temperaturverteilung)Drucksensorik (Vakuum)ReaktionskinetikGeometrievermessung (Bauteilvermessung und –positionierung)

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Sensorik

TemperatursensorikAuswahl des Thermoelementtyps in Abstimmung mit Industrie unter Berücksichtigung der Robust- und Prozesssicherheit Auswahl eines Thermografiesystems mit Gehäuse zur Integration in den Autoklaven abgeschlossen

Erprobung der Kamera abgeschlossenStatus:

Integrationskonzepte erarbeitenEinbindung Masterbox

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Sensorik

ReaktionskinetikUltraschall als geeignete Sensorik gewähltTestwerkzeug zur Korrelation mit Labormessmethoden

beheizbare und mobile Messkammer für Reinharz- und VerbundplattenErste Versuchsreihe mit Testwerkzeug durchgeführt

Hardware und Sensorprobleme führten zu nicht nutzbaren Ergebnissen

Erarbeitung neuer SensorintegrationkonzeptenEntwicklung und Überarbeitung von Ultraschallsensoren

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Sensorik

ReaktionskinetikÜberarbeitung des Sensorkonzeptes zur Leistungssteigerung

Schrägeinschallung und Empfang auf WerzeugseiteBetrachtung der Grenzfläche zwischen Bauteil (Harz) und WerkzeugReflexionsfaktor ändert sich mit HarzaushärtungBetrachtung eines „Drittechos“ bei Platzmangel

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Sensorik

ReaktionskinetikÜberarbeitung des Sensorkonzeptes zur Leistungssteigerung

Verwendung von Piezofolien direkt an den WerkzeugwandungenReduzierung der GrenzflächenStärkeres Signal, dickere Laminate können durchschallt werden, präzisere MessungEinfachere IntegrationErhöhung der Robustheit des UltraschallsignalsUm vielfaches günstiger als UltraschallsensorenImpuls-Echo-Durchschallung denkbar

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Sensorik

DrucksensorikHauptsächlich Betrachtung der VakuummessungIMA Dresden: vielversprechende Drucksensorik, die bereits für einen ähnlichen Anwendungsfall erprobt wurdeGeeignet für Temperaturen bis 180 °C und Kontakt mit HarzGute Genauigkeit im VakuumbereichVersuche zeigten Vakuumgradient über Bauteil und große Abweichung zum Vakuum an der Vakuumpumpe

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Projektteam

Michael Kühn ProjektleitungJens Bölke Infrastruktur/ SensorikNico Liebers SensorikHakan Ucan Prozesssteuerung

Documents

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