Ziel der Entwicklung

Typische Multimaterialsysteme, wie mehrkomponentige Kunststoff-Metall-Hybridstrukturen oder elektrische, elektronische und mechatronisch-adaptronische Baugruppen, werden im Automobilbau zur Gewichtsreduzierung und Funktionsintegration zunehmend motor-, getriebe-, fahrwerk- und abgasnah verbaut. Die resultierenden kleineren Einbau- und Zwischenräume führen dazu, dass die betriebsbedingte Strahlungswärme von Motor- und Abgassystem sowie der Elektronik immer schlechter durch Luftströmung abtransportiert werden kann. Funktionsbaugruppen aus Multimaterialsystemen unterliegen daher nicht mehr nur mechanischen, sondern zunehmend extremen thermomechanischen Belastungen, die zusätzlich von wechselnden Umweltbedingungen für Wärme, Feuchte und Strahlung überlagert werden. Herstellungs-, betriebs- und umweltbedingte Temperaturänderungen aufgrund unterschiedlicher Stoffeigenschaften in Multimaterialsystemen sind stets mit Wärmespannungen und Dimensionsänderungen verbunden. Diese führen zu lastunabhängigen Beanspruchungen in Fügestellen und umliegenden Werkstoffbereichen. Makroskopisch zeigen sich die Effekte in Verwölbungen, Verwindungen und Verformungen, also in temperaturabhängigen Maß-, Form- und Lageabweichungen. Dies führt dazu, dass sich Funktionseigenschaften, wie Steifigkeit und Festigkeit, Feuchteaufnahme, Leitfähigkeit, optische Strahlführung und/ oder Kriech- und Dämpfungsverhalten, ändern und die Systemintegrität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der MMS begrenzen. Obwohl in der industriellen Praxis die technische Spezifikation und stoffliche Auslegung ebenso wie die Planung und Umsetzung von Fertigungsprozessen zur Herstellung von Bauteilen und Baugruppen aus Multimaterialsystemen weitgehend rechnergestützt erfolgt, ist deren flexible Entwicklung und qualitätssichere Produktion noch immer mit erheblichen Problemen verbunden.
Das FuE-Projekt zielte auf die Entwicklung eines multifunktionalen und modularen Assistenzsystems, dass auf Basis multisensorfähiger Strategien zur Datenerfassung, -referenzierung, -synchronisation und -fusion die singulären Messverfahren der 3D-Digitalisierung, der IR-Thermografie sowie der Photogrammetrie zu: einem adaptiven Multi-Sensor-Messverfahren in einer Messplattform vereint; die gekoppelte Erfassung geometrischer, thermischer und visuell-optischer Ist-Zustände an Multimaterialsysteme (MMS) ermöglicht und diese über einen digitalen Produktdatensatz einer mehrkriteriellen Dimensions- Bild- und Thermoanalyse bereitstellt. Dazu sollte die Konstruktion, technische Auslegung und Erprobung sowie die Verifizierung des intelligenten Assistenzsystems und der Messplattform mit dem neuen Multi-Sensor-Messverfahren umgesetzt werden.

Vorteile und Lösungen

Herstellungs-, betriebs- und umweltbedingte Temperaturänderungen aufgrund unterschiedlicher Stoffeigenschaften in Multimaterialsystemen sind stets mit Wärmespannungen und Dimensionsänderungen verbunden. Diese führen zu lastunabhängigen Beanspruchungen in Fügestellen und umliegenden Werkstoffbereichen. Makroskopisch zeigen sich die Effekte in Verwölbungen, Verwindungen und Verformungen, also in temperaturabhängigen Maß-, Form- und Lageabweichungen. Dies führt dazu, dass sich Funktionseigenschaften, wie Steifigkeit und Festigkeit, Feuchteaufnahme, Leitfähigkeit, optische Strahlführung und/ oder Kriech- und Dämpfungsverhalten, ändern und die Systemintegrität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Multimaerialsysteme begrenzen. Obwohl in der industriellen Praxis die technische Spezifikation und stoffliche Auslegung ebenso wie die Planung und Umsetzung von Fertigungsprozessen zur Herstellung von Bauteilen und Baugruppen aus Multimaterialsystemen weitgehend rechnergestützt erfolgt, ist deren flexible Entwicklung und qualitätssichere Produktion noch immer mit erheblichen Problemen verbunden.
Die im Projekt entwickelte Multi-Sensor-Plattform ermöglicht die zeitgleiche Erfassung von 3D-Geometrien, Oberflächentemperaturen und –Texturen in einem definierten Temperaturbereich von (20 bis 350) Grad Celsius. Damit ist es möglich Ergebnisse aus FEM-Simulationen anhand realer Messdaten bewerten und verifizieren zu können. Die multi-sensorielle Erfassung und Auswertung messobjektseitiger Ist-Zustände erlaubt eine eindeutige und wesentlich genauere Detektion qualitätsbestimmender Merkmale infolge von Chargenschwankungen, Fertigungstoleranzen und Produktionsfehlern. Darüber hinaus können sicherheitsrelevante Funktionalitäten durch konkrete Messdaten zum geometrischen, visuell-optischen und thermischen Ist-Zustand quantifiziert werden.
Die Multi-Sensor-Plattform ermöglicht in einem produktionstechnischen Umfeld not-wendige Mess- und Analysestrategien einfach und sicher auf bauteil- und werkstoffspezifische Randbedingungen der Serienproduktion zu qualifizieren und Messergebnisse schnell übergeordneten Produktions- und Prozesssteuerungen bereitzustellen. Die Multi-Sensor-Plattform bietet die Kombination verschiedener optischer Messverfahren, vor allem aber die zeitgleiche Erfassung des Messobjektes in verschiedenen Spektralbereichen MWIR (2,0…5,7) Mikrometer und VIS (380…780) Nenometer und die synchrone Geometrieerfassung bei definierter Umgebungstemperatur.
Aus arbeitsschutztechnischen und gesundheitsrelevanten Gründen (Entstehung von Ozon, Augen- und Hautschutz) wurde auf die Integration der UV-A und UV-B Strahler in die Messplattform verzichtet. Von Seiten der Konstruktion, E-Planung und Steuerung sind jedoch alle notwendigen Schnittstellen vorgesehen, so dass die UV- Anregung jederzeit integriert werden kann. Dazu sind dann aber Seitens der Laborräume weitere Installationsmaßnahmen notwendig (zum Beispiel.: Absaugung, Sicherheitshinweise, Personen- und Arbeitsschutzausrüstung).

Zielgruppe und Zielmarkt

Die im FuE-Projekt entwickelte Multi-Sensor-Plattform eignet sich für Anwender und Produzenten von mechatronisch-adaptronischen Baugruppen für den Automobilbau, die Flugzeug- und Raumfahrtindustrie, die Medizin- und Telekommunikationstechnik, Anlagenhersteller zur Fertigung elektronischer und mechatronischer Funktionseinheiten und für Dienstleister zur Produkt- und Prozessentwicklung in den Bereichen Design, Konstruktion, Berechnung, Erprobung und Qualitätssicherung des Luft-, Schienen-, Schiffs- und Kraftfahrzeugbaus sowie der Elektronik- und Telekommunikationsbranche. Als Zielmarkt lassen sich alle Branchen und Märkte definieren, die optische Mess- und Prüftechnik zur Produktentwicklung und Qualitätssicherung anwenden.
Eine Analyse des Marktes ergab, dass derzeit keine vergleichbare Multi-Sensor-Plattform verfügbar ist. Es existieren zwar Hersteller für Klimakammern und diverse Sensoriken am Markt, jedoch bietet keiner eine derart komplexe Kombination von Sensorik und Gerätetechnik als eine Gesamtlösung an. Die entwickelte Multi-Sensor-Plattform trägt die aktuellen Trends im Sensorik-Markt Rechnung, wie die Verbesserung der Performance / Erweiterung des Einsatzbereiches der am Markt etablierten Messtechnik; sowie die Bedienbarkeit, Arbeitserleichterung und Fehlerreduktion bei steigender Komplexität von Prüfling und Gerätetechnik.
Ein wesentlicher Marktanteil kommt aus den Einsatzfeldern der optischen Mess- und Prüftechnik. Dies sind der Maschinen- und Anlagenbau, die Automobil-, die Unterhaltungs-, die Luft- und Raumfahrtindustrie, Medizintechnik sowie der Life-Science-Bereich. Ein wesentlicher Vermarktungsanteil wird über die Verwertung durch Dritte, speziell Anbieter und Anwender von Messgeräten, erfolgen. Hierzu wird bereits in der Phase der Projektumsetzung die Kooperation mit einem Partnerunternehmen vereinbart.