Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSEine Inline‑Thermografie zur Qualitätsüberwachung thermoplastischer UD‑Tapes soll im Projekt »UDiMi« etabliert werden. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) verknüpft dazu Sensor-, Prozess- und Mikrostrukturdaten. So werden belastbare, leichte und recyclingfähige Halbzeuge sowie digitale Materialkarten möglich. Das unterstützt schnellere Prozessanpassungen, verbesserte Qualitätskontrolle und die Einführung digitaler Zwillinge.
Faserverstärkte Kunststoffe ermöglichen eine Bauweise, bei der das Material der Belastungssituation angepasst wird. Unidirektional verstärkte Tapes (UD-Tapes) eignen sich hierfür in besonderer Weise. Sie weisen insbesondere in Faserrichtung eine hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit auf. Entsprechend der Belastungssituation im Bauteil werden UD-Tape-Einzellagen im Bauteil gestapelt und orientiert. So entstehen lastgerechte und hochbelastbare Strukturen mit reduziertem Bauteilgewicht. UD-Tapes, bei denen die Verstärkungsfasern in eine Matrix aus thermoplastischen Kunststoffen eingebettet werden, bieten außerdem erhebliche Vorteile für die Verarbeitbarkeit in der Großserie sowie für die Recyclingfähigkeit.
Diese Halbzeuge haben sich deshalb in vielen Bereichen etabliert, in denen eine Kombination aus Leichtbau, Ressourceneffizienz und kreislauffähigen Materialsystemen angestrebt wird. Bedingung für den industriellen Einsatz von UD-Tapes ist dabei die Herstellung in hoher Qualität und in effizienten Verfahren. Das erfordert eine möglichst zuverlässige Überwachung von relevanten Qualitätsmerkmalen während der Herstellung von UD-Tapes.
Derzeit werden jedoch meist nur äußere Eigenschaften (z.B. Dicke und Flächengewicht der Tapes) mit geringer Datenauflösung im Prozess erfasst. Auch für den besonders kritischen Punkt der Imprägnierqualität gibt es nur unzureichende Lösungen. Werden die Verstärkungsfasern in der Matrix nicht ausreichend durchtränkt, sinkt die mechanische Performance der Halbzeuge deutlich. Bisher wird dies jedoch erst nach der Herstellung des Tapes geprüft – stellt sich dann heraus, dass die Imprägnierqualität nicht ausreichend ist, sind die entsprechenden Halbzeuge Ausschuss.
Im Projekt »Digitalisierung mikrostrukturbasierter Materialinformationen thermoplastischer UD-Tapes mittels Inline-Sensorik (UDiMi)« möchte das Fraunhofer IMWS deshalb innerhalb von zwei Jahren verbesserte Lösungen entwickeln. Dazu soll eine Inline-Sensorik aufgebaut werden, die UD-Tapes thermografisch analysiert. Die entsprechenden Daten werden mit der entstehenden Halbzeugqualität abgeglichen, die durch mechanische Tests ermittelt wird. Auch die Prozessdaten der Anlage sowie die Mikrostruktur der UD-Tapes werden einbezogen.
»Wir koppeln die Daten der Inline-Sensorik mit den zugehörigen Maschinendaten und der grundlegenden Korrelation mit der Mikrostruktur der hergestellten Halbzeuge. Das erlaubt ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge und somit völlig neue Möglichkeiten für die Qualitätssicherung im laufenden Prozess. Zudem wird eine schnellere und ressourcenschonendere Prozessanpassung und Prozessentwicklung möglich«, sagt Dr.-Ing. Marianne John, die das Projekt am Fraunhofer IMWS leitet.
Die Machbarkeit einer solchen Inline-Sensorik zur thermografischen Erfassung von inneren Strukturmerkmalen wurde am Fraunhofer IMWS bereits in Vorarbeiten erfolgreich demonstriert, etwa das Erkennen von Fehlstellen thermoplastischer UD-Tapes. Bisher ermöglicht dieser Ansatz aber lediglich Erkenntnisse im Einzelfall. Im Projekt »UDiMi« soll dies zu einer wissenschaftlich abgesicherten Prüfmethodik insbesondere zur Interpretation von inline erfassten Materialmerkmalen und zur Aufklärung des Zusammenhangs zwischen den detektierten Strukturmerkmalen, den Prozessparametern und dem werkstoffmechanischen Verhalten der UD-Tapes weiterentwickelt werden. So entstehen zuverlässige Aussagen etwa über Merkmale wie Faseranteil (volumetrisch und gravimetrisch), Faserverteilung, Faserorientierung und Faser-Matrix-Anbindung. Zugleich wird die gezielte Optimierung kritischer Prozessparameter während der eigentlichen Herstellungsversuche möglich – maschinenspezifische Anpassungen im laufenden Prozess können Tape-Qualität weiter verbessern.
Die Ergebnisse der zerstörungsfreien Materialcharakterisierung, die weitgehend automatisiert ablaufen soll, werden mittels realer Experimente unter realen Prozessbedingungen an einer Labor-Schmelzeimprägnieranlage überprüft. Dabei werden UD-Tapes in verschiedenen Rezepturen sowie mit unterschiedlichen Faseranteilen eingesetzt. So sollen digitale Materialkarten mit validierten Kennwerten entstehen, die sowohl den Einsatz unterschiedlicher Materialsysteme als auch eigenschaftsangepasste Tape-Halbzeuge möglich machen. Zudem sollen bestehende Normen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit auf UD-Tapes geprüft beziehungsweise angepasst werden.
»Mit dieser neuen Methode der Qualitätsbewertung wollen wir die materialschonende und maßgeschneiderte Materialentwicklung im Bereich thermoplastischer Verbundmaterialien unterstützen. Wenn es gelingt, leistungsfähige Inline-Charakterisierungsmethoden zu etablieren, ist das ein wichtiger Beitrag zum Aufbau von digitalen Zwillingen für industriell relevante Prozesses im Bereich der Kunststoffverarbeitung. Das kann auch die weitere Marktdurchdringung von UD-Tapes unterstützen«, sagt John.
(09.10.2025)