Machine Vision für Faserablegeprozesse

Die additive Fertigung hat bei der Herstellung komplexer Strukturkomponenten erheblich an Bedeutung gewonnen. Forscher auf der ganzen Welt entwickeln kontinuierlich neue Verfahren, bei denen Polymer- und Metallwerkstoffe eingesetzt werden, um dreidimensionale Objekte nach computergestützten Modellen herzustellen. Seit geraumer Zeit werden additive Fertigungsverfahren entwickelt, bei denen Polymere mit Fasermaterialien kombiniert werden; bei diesen Verfahren werden meist kurze Fasern, zunehmend aber auch Endlosfaserbündel verwendet. Ein solches Verfahren, das Nassfaserlegen, wird derzeit am Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) entwickelt. Dabei wird ein Kohlenstofffaser-Roving mit einem duroplastischen Harz imprägniert und mit einem Endeffektor auf einem beweglichen Tisch präzise in die richtige Position geführt. Die in Abbildung 1 (unten) dargestellte Anlage verfügt über drei translatorische und eine rotatorische Achse, die die Herstellung von 2,5D-Werkstücken ermöglichen. Eine Schneideeinheit im Endeffektor kann den nassen Roving auf die richtige Länge schneiden. Das Bild zeigt auch unsere aktuelle Bildverarbeitungsanlage.

Ein spezielles Modul wurde entwickelt, um den Prozess mithilfe fortschrittlicher Bildverarbeitungstechniken genau zu überwachen. Die Studie umfasste eine Reihe von Experimenten mit einer Webcam und Algorithmen der künstlichen Intelligenz, die in eine NVIDIA Jetson Nano Plattform integriert wurden. Dieses innovative Modul zeichnet sich dadurch aus, dass es die Ausgangsposition des Roving-Materials identifiziert und sowohl seine Position als auch seine Ausrichtung genau misst. Die von dem Modul gesammelten Daten spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Nassfaserplatzierung. Durch die Analyse der erfassten Daten kann das Modul dazu beitragen, fundierte Entscheidungen zu treffen, um den Nassfaserlegeprozess je nach Bedarf einzuleiten oder anzuhalten.

Um eine nahtlose Kommunikation und Integration mit dem gesamten Prozessleitsystem zu ermöglichen, wurde das Modul mit verschiedenen Schnittstellen ausgestattet. Zu diesen Schnittstellen gehören ein OPC-UA-Server, der eine standardisierte Kommunikation in der Industrieautomation sicherstellt, ein optischer Ausgang für visuelles Feedback, ein elektrischer Spannungsausgang für spezifische Steuerungsaktionen und eine Ausgabe in Form einer CSV-Datei, die eine detaillierte Datenaufzeichnung und -analyse ermöglicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das entwickelte Modul nicht nur die Ausgangsposition und Orientierung des Vorgarns genau erkennt, sondern auch aktiv zur präzisen Steuerung des Prozesses beiträgt. Seine Integration mit diversen Schnittstellen erhöht seine Funktionalität und ermöglicht eine effiziente Kommunikation und Entscheidungsfindung innerhalb des breiteren industriellen Workflows.

Das Projekt „TopComposite – topologieoptimierte und ressourceneffiziente Composites für Mobilität und Transport“ wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert (Förderkennzeichen 03XP0259).