Datenbankgestützte Modellierung und Simulation der Prozessketten zur gezielten Einstellung vordefinierter Eigenschaften sowie zur Absicherung der reproduzierbaren Fertigung von thermoplastischen Textil-Verbundbauteilen

Wichtige Daten im Überblick

Teilprojekt:	SFB 639 / Teilprojekt E2: Textilverstärkte Verbundkomponenten für funktionsintegrierende Mischbauweisen bei komplexen Leichtbauanwendungen
Laufzeit:	01/2012 – 12/2015
Finanzierung:	DFG / SFB 639
Bearbeiter:	Dr.-Ing. Hajo Wiemer Dipl.-Inf. Kay K. Großmann
Kooperation:	Dr.-Ing. Bernd Grüber Dipl.-Inf. (BA) Jan Wiedemuth Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), TU Dresden

Zielstellung

Im Zusammenhang mit Leichtbau-Konzepten erlangen textil-verstärkte Verbundwerkstoffe immer mehr an Bedeutung. Textil-verstärkte Verbundwerkstoffe besitzen große Flexibilität in Bezug auf die Anpassung der Werkstoffstruktur an die Belastungen. Diese Flexibilität ist durch viele Einflussmöglichkeiten entlang der Prozesskette, beginnend mit den Eigenschaften der Rohstoffe, deren Mischungsverhältnisse bei der Filament- und Garnherstel-lung, über die Wahl unterschiedlicher Verarbeitungsverfahren und Montagevarianten zum textilen Halbzeug mit zugehörigen an-passbaren Prozessparametern bis zur Konsolidierung des Textiles zum Bauteil gegeben. Die bislang übliche isolierte Betrachtung von einzelnen Problemfeldern und Prozessschritten wird bei einer von derartigen starken Wechselwirkungen gepräg-ten Prozesskette den Anforderungen nicht gerecht. Die durchgängige Betrachtung der einzelnen Teilbereiche Werkstoffe, Konstruktion, Fertigung und Montage ist zwingend erforderlich, denn nur bei möglichst durchgängiger, abgestimmter Vorgehens-weise kann das gegebene hohe Leichtbaupotenzial voll ausgeschöpft werden (Bild 1). Ziel der Forschungsarbeit ist daher die Entwicklung eines offenen Modells zur Darstellung, Planung und Überwachung von Fertigungsabläufen textilverstärkter Verbundstoffe.

Bild 1: Problemstellung der Prozesskettenmodellierung: Erfassung aller rekevanten Einflüsse auf die reproduzierbare Herstellung der geforderten Bauteileigenschaften

Lösungsweg

In vorangegangenen Arbeiten wurden die technologische Prozesskette zur Herstellung textilverstärkter Verbundstoffe einschließlich charakteristischer Besonderheiten untersucht, Anforderungen an die erforderlichen Methoden zur Beschreibung und Analyse der Prozessketten abgeleitet sowie übliche Planungsmethoden unterschiedlicher Fachrichtungen auf Nutzbarkeit geprüft. Nach der Entwicklung der methodischen Grundlagen fokussierte die Arbeit auf die Entwicklung eines unterstützenden, datenbankgestützten Beschreibungs- und Analysetools. Im Berichtszeitraum fand eine kontinuierliche Fortentwicklung von Methodik und Softwaretool statt. Dabei wurden folgende Schwerpunkte bearbeitet:

Weiterentwicklung der Modellierungssprache und des unterstützenden Softwaretools zur Prozesskettenbeschreibung unter Einbeziehung von technisch-technologischen Wechsel-wirkungen auf Basis der Prozesskettenanalyse
Integration von statistischen Methoden in das Softwaretool und Anwendung dieser Methoden bei der Datenanalyse zur Ermittlung von technisch-technologischen Wechselwirkungen und Parametern
Unterstützung der Forschungsarbeiten in den anderen Teilprojekten mit der begleiten-den Modellierung der technisch-technologischen Prozesse
Praktischer Test des Softwaretools und Anwendung des Fertigungsprozessmodells für eine reproduzierbare Herstellung ausgewählter Eigenschaften. Als Beispiel diente der Konsolidier-prozess aus der Fertigung des Verbundbauteils „Federdom“ (Bild 2). Dieses Bauteil ist ein Strukturbauteil des SFB 639-De-monstrators FiF und wurde mitsamt der Fertigungsumgebung aus dem BMBF-Verbundvorhaben „Modellverarbeitungspro-zess für eine effektive endkonturnahe Fertigung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen“ (EFFEKT) nachgenutzt.
Aufbau eines geeigneten Identifikationssystems auf Basis von Barcodes. Hierfür wurden Untersuchungen zur Eignung unter-schiedlicher Etikettensysteme (Hersteller; Basisfolien; Druck-systeme) für die Heißpressvorgänge hinsichtlich der Haftung und der Barcode-Lesbarkeit nach dem Heißpressen durchgeführt. Im Rahmen der Erprobung wurde das Einlesen von technologisch relevanten Maschinenbetriebsdaten in die Datenbank am Beispiel einer Pressmaschine umgesetzt.

Bild 2: Prozesskette zur Fertigung des Federdoms

Ergebnisse

Das unterstützende datenbankgestützte Modellierungs- und Analysewerkzeug wurde für die Anwendung im SFB 639 entwickelt und bereits schrittweise eingeführt. Mit dem erreichten Stand des Softwaretools werden die Arbeiten in den Teilprojekten mit folgenden Funktionen unterstützt:

Beschreibung der technisch-technologischen Prozessabläufe mittels grafischer Beschreibungssprache:

Im Prozessmodell werden die beteiligten Objekte (eingehendes und ausgehendes Material, Ressourcen) mit ihren Zustandsparametern und in ihrer strukturellen Anordnung beschrieben (Bild 3). Mit der Möglichkeit der detaillierenden Untergliederung von Prozessmodellen können sehr komplexe Prozessabläufe übersichtlich dargestellt werden. Das Prozessmodell dient neben der Funktion als Kommunikationsmittel zwischen den Teilprojekten zugleich als Werkzeug zur Konfiguration einer Datenbank, die im Hintergrund ohne zusätzlichen Aufwand angelegt wird und die die Basis der weiteren Funktionen der Informationsbehandlung ist. Die Prozessmodellierung erfolgt webbasiert, so dass die Bearbeiter in den Teilprojekten das Werkzeug von allen Standorten aus nutzen können. Alle Daten (für das Modell und aus der Fertigung) werden auf einem zentralen Server abgelegt.

Prozessdatenerfassung:

Mit dem Ziel der Ermittlung der prozessrelevanten Ursache-Wirkungs-Zusammen-hänge werden für die einzelnen Prozesszyklen sowohl die Ist-Eigenschaften der Werkstück-Exemplare als auch die Ist-Zustandsänderungen der Prozess- und Ressourcen-Exemplare erfasst und in die Datenbank geschrieben. Das Einschreiben ist auf drei Wegen möglich: manuell über webbasierte Formulare; halbautomatisch über Import-Schnittstellen für in der Steuerung mitgeschriebene Protokolldateien; vollautomatisch durch Anbindung an Betriebsdatenerfassungssysteme (wird derzeit exemplarisch umgesetzt). Als Voraussetzung für die eindeutige, fehlerfreie Zuordnung der Messdaten zu den Bauteilobjekten in der Datenbank sowie für die durchgängige Verfolgung der Bauteile durch die Prozesskette ist ein Identifikationssystem erforderlich, welches mittels Barcode-System realisiert wurde.

Analyse:

Zunächst wurden Standardanalysefunktionen (z. B. Streuungs-analyse von Messwerten im Analysewerkzeug) implementiert. Für komplexere Analyseaufgaben wurde das Analysetool R integriert. Da in den Fachbereichen spezielle Analysewerkzeuge eingeführt sind, wurden zudem Exportschnittstellen für die Nutzung externer Werkzeuge (z. B. MATLAB/Simulink oder Microsoft Excel) geschaffen.