Ein Blick auf die inneren Werte: Terahertz-Inspektion von Fasern

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Die Spektroskopie mittels ultrakurzer Wellen im Terahertz-Bereich ist eine vielversprechende Methode zur volumetrischen Prüfung nichtleitender Materialien. Im Rahmen des dreijährigen Projekts „Attic“ mit internationaler Beteiligung von Eureka wurde es erstmals als Zusatztechnologie in ein multimodales zerstörungsfreies Prüfsystem (NDT) Accubot von Fill integriert.

Im industriellen Leichtbau werden immer häufiger glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und nachwachsende Naturmaterialien wie Holz und Kork eingesetzt. Für das bloße Auge unsichtbare Schäden nach Umformprozessen und mechanischer Bearbeitung machen eine kontinuierliche Qualitätskontrolle von Leichtbaubauteilen unabdingbar.

Der Schwerpunkt des Attic-Projekts lag auf der Entwicklung einer vollautomatischen Bohr-, Überwachungs- und Inspektionslösung für Glasfaserverbundwerkstoffe. Hochauflösende Laserprofilmessgeräte wurden zur Überwachung der Bohrwerkzeuge aus Verbundwerkstoffen eingesetzt, um sicherzustellen, dass der Verschleiß vor jedem Arbeitsgang akzeptabel war. Dies wurde mit Techniken des maschinellen Lernens kombiniert, um Werkzeugbearbeitungsparameter wie Bohrgeschwindigkeiten zu optimieren.

Die Überwachung wurde als automatisierter Teil des Prozesses integriert, wodurch die Notwendigkeit einer Interpretation durch den Bediener verringert wurde. Nachdem die Löcher gebohrt worden waren, wurde das Ausgangsmaterial rund um das Loch mittels Terahertz-Bildgebung untersucht.

Die zuverlässige und genaue Prüfung dicker Glasfaserverbundwerkstoffe mithilfe einer berührungslosen Methode ist ein entscheidender Schritt im ZfP-Bereich und ein zentraler Bestandteil des Attic-Projekts.

Die Projektpartner sind Far-UK, TWI, Brunel University London, Recendt und Fill.

Eine relativ neue Technik zur volumetrischen zerstörungsfreien Prüfung (NDT) in nichtleitenden Materialien ist die Spektroskopie mittels ultrakurzer Wellen im Terahertz-Spektrum (THz-Imaging). Dieses Frequenzband erstreckt sich von ca. 100 GHz bis 10 THz (0,05 – 3,0 mm Wellenlänge) und bildet die Grenze zwischen Radio- und Lichtwellen. THz-Imaging ermöglicht berührungslose Untersuchungen von GFK- oder Holzteilen ohne besondere Sicherheitsvorkehrungen. Darüber hinaus kann es zur Untersuchung von Schäumen oder zur Bestimmung der Schweißnahtqualität von Thermoplasten eingesetzt werden.

Neben Produktionsanlagen für die Automobil-, Luftfahrt-, Sport- und Bauindustrie entwickelt und produziert Fill automatisierte Lösungen für die zerstörungsfreie Materialprüfung. Darüber hinaus hat das Unternehmen mit den hochpräzisen Accubot-Robotern eine Lösung entwickelt, die sowohl unabhängig als auch gemeinsam auf parallel laufenden Linearachsen agieren kann. Diese Systeme können Inspektionen mit unterschiedlichen Methoden durchführen. Eine zusätzliche rotatorische Servoachse am Tool Center Point ermöglicht auch die Bauteilprüfung in kleinen, stark verzerrten Bereichen.

Die Einsatzmöglichkeiten der Terahertz-Spektroskopie für Kunststoffanwendungen waren bisher auf den Laborbetrieb beschränkt. Fill beteiligte sich am dreijährigen Eureka-Projekt Attic (Automated TeraherTz Imaging of Composites and Tooling Profiling) zur Entwicklung eines roboterbasierten automatisierten Prozesses zur Herstellung und anschließenden Inspektion von Bohrlöchern in glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Bei diesem Verfahren wird das Material rund um das Bohrloch mittels THz-Imaging vollautomatisch auf Fehler untersucht. Die Integration eines THz-Spektrometers an einen Flex-Change-Schnellanschlussflansch sorgte für eine schnelle Implementierung dieser Technologie in ein roboterbasiertes Inspektionssystem von Fill. Das flexible System ermöglicht den Einsatz von THz-Imaging für Faserverbundteile, auch wenn diese verzerrt oder frei geformt sind. Gleiches gilt für die Prüfung der inneren Stützstrukturen komplexer Formteile aus der additiven Fertigung.

„Im Attic-Projekt erreichte THz-Imaging als weitere Technologie für unsere multimodalen automatischen NDT-Systeme den Technology Readiness Level (TRL) 5“, erklärt Harald Sehrschön, Teamleiter Forschung und Entwicklung bei Fill. „Die Integration der THz-Imaging-Spektrometrie in vollautomatische ZfP-Systeme würde für viele Hersteller einen Methodenwechsel in der automatisierten zerstörungsfreien Bauteilprüfung ermöglichen. Bis zur Anwendung in einem Kundenprojekt bleibt jedoch noch viel zu tun.“

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