ReWork: Prozesssicheres Re-Work an dünnwandigen, gekrümmten CFK-Oberflächen mittels photonischer Systeme und piezo-gestützter Qualitätskontrolle

Das Verbundprojekt ReWork widmet sich thematisch der industriellen Nachbearbeitung (Re-Work) von Luftfahrtbauteilen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Um die Produktion entsprechender Bauteile effizienter zu gestalten, ist es notwendig, während der Fertigung den Ausschuss zu reduzieren. Dabei rückt die industrielle Nachbearbeitung fertigungsbedingter aber auch einsatzbedingter Fehlstellen vermehrt in den Fokus. Der Prozess der Nachbearbeitung definiert sich als ein präzises, automatisierbares Verfahren zur Überarbeitung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit dem Ziel, deren Eigenschaften zu verbessern einschließlich einer integrierten Methodik zur automatisierten Qualitätskontrolle.

Aktuell gibt es im Besonderen für die Oberflächennachbearbeitung dünnwandiger oder komplexer CFK-Bauteile kein prozesssicheres Verfahren. ReWork soll diese Problematik beheben, indem die einzelnen Schritte der Prozesskette hinsichtlich ihrer Automatisierung optimiert werden. Dabei werden sowohl das Entfernen der Fehlstelle als auch die Patch-Reparatur mittels neuer CFK-Lagen sowie deren Festigung und damit bis zur abgeschlossenen Instandsetzung untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden in einen Leitfaden überführt, welcher Anwender einer CFK-Oberflächennachbearbeitung unterstützen soll. Gleichzeitig dient dieser Leitfaden auch als Grundlage für mögliche, dieses Verfahren betreffende spätere Zertifizierungsmaßnahmen.

Entdeckte Fehlstellen in dünnwandigen bzw. komplexen CFK-Oberflächen werden mittels Laserstrahlung entfernt. Die Lasertechnik ist in der Lage, den typischen Schichtverbund von CFK-Bauteilen lagenweise zu entfernen und darüber einen präzisen Lagenwiederaufbau zu ermöglichen. Die Piezo-Elemente werden beim Einlegen der Patch-Lagen in die Reparaturstelle integriert. Piezo-Aktuatoren werden dabei zentral mit dem Patch eingebettet, während Piezosensoren außerhalb der Reparaturstelle angebracht werden. Durch Auswerten der Piezo-Spannungssignale über angepasste Algorithmen während des Festigungsvorgangs kann so dessen Fortschritt überwacht werden und abschließend die Verbindungsfestigkeit qualitativ kontrolliert werden. Der Einbau der Piezosensoren bzw. -aktuatoren ermöglicht diese Auswertung auch während späterer Wartungsintervalle.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Qualitätskontrolle einer reparierten CFK-Oberfläche