Method for the Investigation of Mold Filling in the Fiber Injection Molding Process Based on Image Processing

Fiber Injection Molding is an innovative process for manufacturing 3D fiber formed parts. Within the process fibers are injected in a special mold through a movable nozzle by an air stream. This process allows a resource efficient production of near net-shape long fiber-preforms without cutting excess. For the properties of the preforms the mold filling is decisive, but current state of the art lacks methods to monitor mold filling online. In this paper a system for monitoring the mold filling based on image processing methods is presented. Therefor a camera and back-lighting has been integrated into a fiber injection mold. The detected filling level and fiber distribution is passed to the PLC of the fiber injection molding machine, which allows the operator to monitor the current mold filling state by means of a visual display. The image processing approach consists of preprocessing, binarization and segmentation. For the preprocessing and binarization several methods including a k-means algorithm, the Otsu thresholding method and a convolutional artificial neural network have been implemented and evaluated. Additionally the illumination of the mold has been investigated and found to have a very large influence on the quality of the results of all investigated methods. The results of the binarization are evaluated on the basis of ground truth images, where an absolute difference between labeled and binarized images is formed and the number of misinterpreted pixels is counted. Among the investigated methods, the method based on the Otsu threshold has been found to be the most efficient with regard to the achievable performance as well as to the correct detection of the current filling. The investigated approach allows the acquisition of more data about the mold filling process to improve models

Multimodale zerstörungsfreie Charakterisierung der Grenzflächen von Metall-CFK-Hybridstrukturen

Metall-CFK-Hybridstrukturen erfreuen sich in der heutigen Zeit immer größerer Beliebtheit und rücken aus vielfältigen Gründen in den Fokus der Industrie. Da durch die Kombination aus Metall und CFK Grenzflächen entstehen, die Schwachpunkte der Verbindung darstellen, bedarf es der Überprüfung dieser Bereiche durch zerstörungsfreie Prüfverfahren. In dieser Arbeit werden die Grenzflächen einer Aluminium-CFK-Hybridstruktur mithilfe der beiden zerstörungsfreien Prüfverfahren der aktiven Thermografie mit den Anregungsmethoden Blitz, induktiv sowie IR-Array und des elektromagnetisch induzierten Ultraschalls (EMUS) untersucht. Dabei wird zunächst gezeigt, dass beide Verfahren zur Grenzflächencharakterisierung sowie zur Fehlerdetektion geeignet sind. Um die gewonnenen Messergebnisse zu verbessern und eine optimierte Grenzflächencharakterisierung zu erzielen, kommen verschiedene Vorgehensweisen zum Einsatz. So wird bei der Blitzthermografie zusätzlich eine Fast Fourier Transformation (FFT) angewandt, die Ergebnisse der Blitzthermografie und der induktiven Thermografie werden fusioniert sowie die Ergebnisse aus aktiver Thermografie und EMUS mithilfe eines neu entwickelten Auswertealgorithmus kombiniert. Durch den abschließenden Einsatz der Referenzmethode der Computertomografie (CT) werden zum einen die zuvor erzielten Ergebnisse validiert und zum anderen- mithilfe des Auswertealgorithmus- gezeigt, dass EMUS-Messungen sensitiver auf Grenzflächendefekte reagieren als Thermografiemessungen.Metal-CFRP-hybrid structures enjoy great popularity today and come to the fore of industry for various reasons. Due to the combination of metal and CFRP (carbon-fibre-reinforced-polymer) interfaces, which are weak points in the connection, arise. These weak points have to be characterised by non-destructive testing methods. In this work the interfaces of an aluminium-CFRP-hybrid structure are characterised with two non-destructive testing methods: active thermography with its excitation techniques flash, inductive and IR-Array as well as ultrasonic testing with EMAT (electromagnetic acoustic transducer). It is shown that both methods are very suitable for the characterisation of the interfaces as well as for defect detection. To improve the results obtained and to optimise interface characterisation different approaches are utilised. For flash thermography a Fast Fourier transformation (FFT) is used, the results of flash and inductive thermography are combined with a data fusion and the results of thermography and ultrasonic testing with EMAT are combined by means of a new evaluation algorithm. Finally, by using the reference method of computer tomography (CT) on one hand the results gained can be validated, on the other hand it can be shown- with help of the evaluation algorithm- that EMAT is more sensitive for the detection of defects at the interface than thermography.DF

Gestaltung von Formschlussverbindungen in Thermoplast-CFK-Metall-Hybriden auf verschiedenen Skalenebenen

In der Automobilindustrie werden Leichtbaukonzepte metallischer Werkstoffe weiterentwickelt und mit faserverstärkten Kunststoffen im Multimaterialverbund kombiniert. Dabei führen Verbindungen artfremder Materialien zu werkstoffspezifischen sowie konstruktiven Herausforderungen, zu denen die mechanische Gestaltung eines Anbindungssystems und dessen Grenzflächen zählen. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Oberflächengestaltung auf die Verbundfestigkeit und das Schädigungsverhalten derartiger Verbindungen untersucht. In simulativen Studien wird die Funktion von mesoskaligen, formschlüssigen Pin-Strukturen analysiert und die Wirkungsweise der Geometrie und Anordnung der Pins unter Beachtung der Wechselwirkung mit adhäsiven Grenzflächenhafteigenschaften beschrieben. In quasistatischen und dynamischen Experimenten werden Einflüsse und Funktionen von Formschlussüberlagerung mehrerer Skalenebenen erforscht. Dabei werden der Rauheitseinfluss auf der Mikroskala, die Pin-Strukturen auf der Mesoskala und das Einlegerdesign auf der Makroskala und deren Zusammenwirken analysiert. Die Entwicklung eines geeigneten Prüfkörpers dient als Basis für die Untersuchung von lastpfadorientierten Pin-Strukturen und deren Auswirkung auf die Verbundfestigkeit und das Schadensverhalten in Abhängigkeit zur Grenzflächenhaftfestigkeit des Hybridverbunds. Die Erkenntnisse werden in Gestaltungshinweisen für Thermoplast-CFK-Metall-Hybridgrenzflächen zusammengefasst.In the automotive industry, lightweight construction concepts of metallic materials are expanded and combined with fibre-reinforced plastics in multi-material composites. Thereby, connections of dissimilar materials lead to material-specific as well as constructive challenges including the mechanical design of a connection system and its interfaces. The influence of surface design on joint strength and damage behavior is the focus of this investigation. Simulation studies are conducted to analyze the functionality of interlocking mesoscale pin structures and to describe how the geometry and arrangement of pins interact with adhesive bond strengths. In quasi-static and dynamic experiments, influences and functions of interlocking superposition on several scale levels are explored. This includes the influence of surface roughness on the microscale, the pin structures on the mesoscale and the inserter design on the macroscale as well as their interactions. The development of a specific test specimen enables the investigation of load-path oriented pin structures and their effect on the bond strength and damage behavior. The influence of the interfacial adhesion strength on these properties is considered in the experimental set-up. The findings are summarized in design instructions for thermoplastic-CFRP-metal hybrid interfaces

Development of a Data Fusion-Based Multi-Sensor System for Hybrid Sheet Molding Compound

In den letzten Jahren ist die Produktion von faserverstärkten Kunststoffen stetig gestiegen. Ein Teil davon ist das glasfaser-verstärkte Sheet Molding Compound (SMC), welches sich durch seine günstigen Herstellkosten und einfache Verarbeitung auszeichnet. Allerdings weist dieses Material schlechte mechanische Eigenschaften auf, welche eine Anwendung für Strukturbauteile verhindert. Um diesem Nachteil entgegen zu wirken, wird das diskontinuierliche Glasfaser-SMC lokal mit kontinuierlichem Carbonfaser-SMC verstärkt. Dadurch können die Vorteile des günstigen und leicht zu verarbeitenden Glasfaser-SMC mit den sehr guten mechanischen Eigenschaften von Carbonfaser-SMC in Faserrichtung kombiniert werden. Die Kombination dieser beiden Werkstoffe kann bereits in einem frühen Produktionsschritt zu einer Vielzahl an möglichen Defekten wie beispielsweise Delamination, Falten oder Winkelabweichungen führen. Um keine weiteren wertschöpfenden Maßnahmen an defekten Bauteilen durchzuführen, muss die Qualitätssicherung bereits in einem frühen Prozessstadium durchgeführt werden. Die zu entdeckenden Fehler werden in außen- und innenliegende Defekte unterteilt. Da kein System verfügbar ist, um alle relevanten Defekte zu detektieren, wird pro Defektklasse ein Messsystem benötigt. Zudem erstreckt sich der Anwendungsbereich neben dem Halbzeug auch auf das ausgehärtete Bauteil. Das Laserlichtschnittsystem und die aktive Thermografie, in Form der Puls-Phasen-Thermografie, haben sich als geeignet erwiesen. Beide Systeme werden zunächst einzeln untersucht und für den vorliegenden Anwendungsfall angepasst. Dabei ist es möglich die Puls-Phasen-Thermografie methodisch zu einer Tiefenauswertung weiterzuentwickeln. Des Weiteren werden Fehler nicht nur detektiert, sondern auch definiert. Anschließen werden die beiden Systeme in einem Multisensorik-System zusammengeführt. Mit Hilfe der Datenfusion sind eine Auswertung von außen- und innenliegenden Defekten, sowie die Ermittlung von geometrischen Zusammenhängen zwischen einzelnen Defekten möglich. Durch den Aufbau eines Schichtmodells wird zusätzlich eine benutzerfreundliche Auswertung ermöglicht, welche dem Anwender schnell einzelne Schichten aufzeigen kann. Mit der Ermittlung der Messunsicherheit des Multisensorik-Systems wird die Güte aufgezeigt

Qualitätssicherung von textilen Kohlenstofffaserpreforms mittels prozessintegrierter Wirbelstromsensor-Arrays

Um dem Bedarf nach ressourcenschonender individueller Mobilität gerecht zu werden, muss die Produktivität der Herstellungsprozesse kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe gesteigert werden. Die vorliegende Arbeit verfolgt dabei den Ansatz der Prozessintegration von Wirbelstromsensoren, um defektbehaftete Bauteile in qualitätskritischen Prozessschritten zu identifizieren und vor weiteren Bearbeitungsschritten aus dem Prozess auszuschleusen. Die Arbeit fokussiert sich dabei auf das sog. Preforming des Resin Transfer Mouldings (RTM) bei dem Kohlestofffasermatten als textile Halbzeuge verformt werden. Dabei müssen qualitätskritische Defekte wie fehlerhafte Faserbündelorientierungen oder Falten im Textil zuverlässig erkannt werden. Das dafür betrachtete Sensorkonzept, mit dem diese Defekte erkannt werden sollen, basiert auf dem Funktionsprinzip der halbtransformatorischen Spulenanordnungen. Diese werden zu einem sog. Spulen-Array verschaltet und können in die Formwerkzeuge des Preformings integriert werden. Das erlaubt einen hohen Prozessintegrationsgrad und eine 100%-Qualitätssicherung, bei der alle gefertigten Teile geprüft werden können. Der betrachtete Sensor muss allerdings hinsichtlich seiner Gestaltungsmöglichkeiten bewertet werden, denn neben der Wahl der Spulenbauart- und -form müssen zusätzlich die möglichen relativen Anordnungen der Spulenelemente bewertet werden. Dafür ist ein experimenteller Ansatz gewählt worden, um relevante Einflüsse auf das Signalübertragungsverhalten zu identifizieren und optimale Designparameter für das Sensor-Array ableiten zu können. Es konnte dabei gezeigt werden, dass als printed circuit boards ausgeführte Spulen insbesondere für die Prüfung flacher Bauteile geeignet sind. Im Gegensatz dazu sind konventionelle zylindrische Spulen für die Prüfung schalenförmiger Geometrien zu bevorzugen. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden Wirbelstromsensor-Arrays entwickelt, prototypisch aufgebaut und erprobt. Dies beinhaltet die mechanische und elektrische Gestaltung der Komponenten. Darüber hinaus werden Methoden diskutiert, mit denen die Rohdaten des Sensors in eine auswertbare Form gebracht werden können. Die dabei gewonnenen Messdaten erlauben eine quantitative Ermittlung von Faserbündelorientierungen in Kohlenstofffaser-Preforms. Die Ergebnisse einer Messunsicherheitsermittlung nach VDA Band 5.1 lassen die Schlussfolgerung zu, dass das entwickelte System in seiner dargestellten Form nicht den Anforderungen einer Serienfertigung genügt. Allerdings können Klassierprüfungen mit einer Klassenbreite von 6,662° durchgeführt werden. Um die Anwendungsmöglichkeiten des erforschten Systems darüber hinaus zu erhöhen, werden zudem gezielt defektbehaftete Bauteile gefertigt und derart geprüft, dass eine Methode des maschinellen Lernens genutzt werden kann, um Defekte automatisiert erkennen zu können