Prozesstemperaturregelung in der laserunterstützten Verarbeitung von faserverstärkten thermoplastischen Verbundkunststoffen

In dieser Arbeit wird die Prozesstemperaturregelung in der laserunterstützten Verarbeitung von faserverstärkten thermoplastischen Verbundkunststoffen untersucht und diskutiert. Zu Beginn wird der Stand der Technik in Forschung und Industrie aufgezeigt. Faserverbundkunststoffe und ihre Verarbeitung in Form von UD-Halbzeugen bilden die Grundlage für das Prozessverständnis. Die zugehörigen Produktionssysteme und wichtige Komponenten und Technologien werden ebenfalls vorgestellt und ihre für diese Arbeit relevanten Schwächen diskutiert. Daraus ergeben sich die zu diskutierenden Forschungsthesen sowie die übergeordnete Forschungsfrage. Den Grundstein für die weitere Betrachtung des Prozesses bildet die theoretische Betrachtung des Tape-Verarbeitungsprozesses. Insbesondere die thermodynamische Betrachtung des Tape-Verarbeitungsprozesses befasst sich mit den Einflussgrößen im Aufwärmprozess. Die starke Instationarität des Prozesses und deren Ursachen werden herausgearbeitet und anschaulich dargestellt. Aufbau, Komponenten und modulare Steuerungsarchitektur des eingesetzten Tape-Verarbeitungssystems werden entworfen, entwickelt und vorgestellt. Dies ist eine erforderliche Grundlage für die Prozessuntersuchungen, die in den weiteren Kapiteln durchgeführt werden. Es folgt die Durchführung einer vollfaktoriellen Prozessuntersuchung, um damit in einer Datenanalyse den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf das Aufheizverhalten im Prozess zu erforschen und mit der theoretischen Betrachtung zu vergleichen. Eine Übereinstimmung der Ergebnisse der Prozessuntersuchung mit der theoretischen Betrachtung des Prozesses wird erfolgreich und übereinstimmend verifiziert. Auf diese Ergebnisse folgt die Analyse der aufgezeichneten Thermografiebilder, um Erkenntnisse für die digitale Bildverarbeitung in der Prozessautomation zu extrahieren. Mittels dieser Forschungsergebnisse erfolgt die Umsetzung einer Prozesstemperaturerfassung und Regelungsstrategie für die Prozesstemperatur. Als unterstützendes Mittel wird dabei ein Prozessmodell aus den vorhandenen Prozessdaten extrahiert. Während der Umsetzung werden verschiedene Ansätze für Regelung und digitale Bildverarbeitung miteinander verglichen und ihre Tauglichkeit bewertet. Die digitale Bildverarbeitung der Thermografiebilder sowie Regelungen für die Prozesstemperatur und die Lasereinstrahlverhältnisse in der Prozesszone werden erfolgreich implementiert und getestet. Den Abschluss bildet ein prozesstechnischer Machbarkeitsnachweis mit Hilfe des umgesetzten modularen Steuerungssystems. Dieser Nachweis zeigt, dass die gestellten Forschungsthesen und die übergeordnete Forschungsfrage positiv beantwortet werden können. Die Forschungsergebnisse dieser Arbeit erfüllen damit das gesteckte Ziel vollumfänglich.

In this thesis, process temperature control in laser-assisted processing of fiber-reinforced thermoplastic composites is investigated and discussed. At the beginning, the state of the art in research and industry is shown. Fiber-reinforced composites and their processing in the form of UD semi-finished products form the basis for an understanding of the process. The associated production systems and important components and technologies are also presented and their weaknesses relevant to this work are discussed. This results in the research theses to be discussed and the overall research question. The theoretical consideration of the tape processing process forms the foundation for the further consideration of the process. In particular, the thermodynamic analysis of the tape processing process deals with the influencing variables in the heating process. The strong instationarity of the process and its causes are elaborated and clearly illustrated. Structure, components and modular control architecture of the used tape processing system are designed, developed and presented. This is a necessary basis for the process investigations, which are carried out in the further chapters. A full-factorial process investigation is then carried out to investigate the influence of various process parameters on the heating behavior in the process in a data analysis and to compare it with the theoretical observation. An agreement of the results of the process investigation with the theoretical consideration of the process is verified successfully and in agreement. These results are followed by the analysis of the recorded thermographic images in order to extract knowledge for digital image processing in process automation. By means of these research results, the implementation of a process temperature detection and control strategy for the process temperature is carried out. As a supporting tool, a process model is extracted from the existing process data. During the implementation, different approaches for control and digital image processing are compared and their suitability is evaluated. The digital image processing of the thermographic images as well as controls for the process temperature and the laser irradiation conditions in the process zone are successfully implemented and tested. The final step is a proof of process feasibility with the help of the implemented modular control system. This proof shows that the research theses and the overall research question can be answered positively. The research results of this thesis thus fully meet the set objective.