DE102021117283A1 - Method and computer program for determining the sensor quality of an optical sensor system - Google Patents

Method and computer program for determining the sensor quality of an optical sensor system Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Sensorgüte eines optischen Sensorsystems in Bezug auf ein Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes aufweisend das Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das optische Sensorsystem zum Erfassen einer durch das Fasermaterial gebildeten Fasermaterialoberfläche und zum Erstellen eines Tiefenbildes basierend auf der erfassten Fasermaterialoberfläche ausgebildet ist, mit den Schritten:- Bereitstellen eines digitalen Materialmodells des Fasermaterials in einer Recheneinheit, wobei das Materialmodell ein optisches Reflexionsverhalten des Fasermaterials durch wenigstens einen reflexionsbezogenen Parameter beschreibt;- Initialisieren eines digitalen Sensormodells des optischen Sensorsystems in Abhängigkeit von wenigstens einem sensorbezogenen Parameter des optischen Sensorsystems und den durch das bereitgestellte Materialmodell modellierten reflexionsbezogenen Parameter des Fasermaterials durch die Recheneinheit;- Berechnen einer Wahrscheinlichkeitsverteilung mittels einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für wenigstens einen Parameter des das optische Sensorsystem beschreibenden digitalen Sensormodells durch die Recheneinheit;- Berechnen einer Schätzung eines bestmöglichen Parameterwertes für mindestens einen Parameter, für den eine Wahrscheinlichkeitsverteilung berechnet wurde, in Abhängigkeit von der berechneten Wahrscheinlichkeitsverteilung und einer Informationsungleichung durch die Recheneinheit;- Bestimmen der Sensorgüte des optischen Sensorsystems in Abhängigkeit von wenigstens einer berechneten Schätzung des bestmöglichen Parameterwertes durch die Recheneinheit.The invention relates to a method for determining the sensor quality of an optical sensor system in relation to a fiber material of a fiber composite material comprising the fiber material and a matrix material embedding the fiber material, the optical sensor system for detecting a fiber material surface formed by the fiber material and for creating a depth image based on the detected fiber material surface is formed, with the steps:- providing a digital material model of the fiber material in a computing unit, wherein the material model describes an optical reflection behavior of the fiber material by at least one reflection-related parameter;- initializing a digital sensor model of the optical sensor system as a function of at least one sensor-related parameter of the optical sensor system and the reflection-related parameter of the fiber material modeled by the material model provided by the rake nunit;- Calculation of a probability distribution by means of a probability density function for at least one parameter of the digital sensor model describing the optical sensor system by the computing unit;- Calculation of an estimate of a best possible parameter value for at least one parameter for which a probability distribution was calculated, depending on the calculated probability distribution and an information inequality by the computing unit;- determining the sensor quality of the optical sensor system as a function of at least one calculated estimate of the best possible parameter value by the computing unit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Sensorgüte eines optischen Sensorsystems in Bezug auf ein Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes aufweisend das Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das optische Sensorsystem zum Erfassen einer durch das Fasermaterial gebildeten Fasermaterialoberfläche und zum Erstellen eines Tiefenbildes basierend auf der erfassten Fasermaterialoberfläche ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ebenso ein Computerprogram hierzu.The invention relates to a method for determining the sensor quality of an optical sensor system in relation to a fiber material of a fiber composite material comprising the fiber material and a matrix material embedding the fiber material, the optical sensor system for detecting a fiber material surface formed by the fiber material and for creating a depth image based on the detected Fiber material surface is formed. The invention also relates to a computer program for this purpose.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes aufweisend das Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial auf eine Werkzeugoberfläche, wobei mittels eines optischen Sensorsystems eine Fasermaterialoberfläche des abgelegten Fasermaterials erfasst, ein Tiefenbild basierend auf der erfassten Fasermaterialoberfläche erstellt und Fehlstellen an dem abgelegten Fasermaterial in Abhängigkeit von dem erstellten Tiefenbild detektiert werden. Die Erfindung betrifft ebenso eine Anlage zum Ablegen von Fasermaterial hierzu.The invention also relates to a method for depositing fiber material of a fiber composite material comprising the fiber material and a matrix material embedding the fiber material on a tool surface, with an optical sensor system detecting a fiber material surface of the deposited fiber material, creating a depth image based on the detected fiber material surface and defects on the deposited Fiber material can be detected depending on the created depth image. The invention also relates to a plant for laying down fiber material for this purpose.

Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Faserverbundbauteilen, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, sind derartige Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus vielen weiteren Anwendungsgebieten, wie beispielsweise dem Automobilbereich, heutzutage kaum mehr wegzudenken. Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils wird dabei ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial meist unter Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgehärtet und bildet so nach dem Aushärten eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial. Die Verstärkungsfasern des Fasermaterials werden hierdurch in ihre vorgegebene Richtung gezwungen und können die auftretenden Lasten in die vor-gegebene Richtung abtragen.Due to the weight-specific strength and rigidity of fiber composite components that are made from a fiber composite material, such components in aerospace and many other areas of application, such as the automotive sector, are nowadays almost indispensable. In the production of a fiber composite component, a matrix material embedding the fiber material is usually cured under the application of temperature and pressure and thus forms an integral unit with the fiber material after curing. The reinforcing fibers of the fiber material are thus forced in their specified direction and can transfer the loads that occur in the specified direction.

Faserverbundwerkstoffe, aus denen derartige Faserverbundbauteile hergestellt werden, weisen in der Regel zwei Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein Matrixmaterial. Hierneben können noch weitere sekundäre Bestandteile verwendet werden, wie beispielsweise Bindermaterialien oder zusätzliche Funktionselemente, die in das Bauteil integriert werden sollen. Werden für die Herstellung trockene Fasermaterialien bereitgestellt, so wird während des Herstellungsprozesses das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes in das Fasermaterial durch einen Infusionsprozess infundiert, durch den das trockene Fasermaterial mit dem Matrixmaterial imprägniert wird. Dies geschieht in der Regel aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Matrixmaterial und dem Fasermaterial, indem beispielsweise das Fasermaterial mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird. Im Gegensatz hierzu sind auch Faserverbundwerkstoffe bekannt, bei denen das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial bereits vorimprägniert ist (sogenannte Prepregs).Fiber composite materials from which such fiber composite components are produced generally have two main components, namely a fiber material on the one hand and a matrix material on the other. In addition, other secondary components can also be used, such as binder materials or additional functional elements that are to be integrated into the component. If dry fiber materials are provided for the production, the matrix material of the fiber composite material is infused into the fiber material by an infusion process during the production process, through which the dry fiber material is impregnated with the matrix material. This usually happens because of a pressure difference between the matrix material and the fiber material, for example by the fiber material being evacuated using a vacuum pump. In contrast to this, fiber composite materials are also known in which the fiber material is already pre-impregnated with the matrix material (so-called prepregs).

Vor dem Aushärten des Matrixmaterials wird in der Regel das Fasermaterial in ein Formwerkzeug eingebracht, das mit seiner formgebenden Werkzeugoberfläche die spätere Bauteilform nachbildet. Dabei können sowohl trockene als auch vorimprägnierte Fasermaterialien in das Formwerkzeug abgelegt bzw. eingebracht werden. Zur Herstellung von großskaligen Strukturbauteilen, wie beispielsweise Flügelschalen von Verkehrsflugzeugen oder Rotorblätter von Windkraftanlagen, werden zur Optimierung des Ablegeverfahrens automatisierte Faserablegeprozesse verwendet, bei denen mithilfe einer Fertigungsanlage und mindestens einem Faserlegekopf ein dem Faserlegekopf zugeführtes quasiendloses Fasermaterial auf dem Werkzeug abgelegt wird. Bei der sogenannten Fiber Placement Technologie werden beispielsweise vorimprägnierte Fasermaterialien bahnweise auf dem Formwerkzeug mithilfe eines derartigen Faserlegekopfes abgelegt. Der Faserlegekopf ist dabei an einem Roboter angeordnet und kann gegenüber dem Formwerkzeug relativ verfahren bzw. bewegt werden. Hierdurch können die einzelnen Faserbahnen auf der Werkzeugoberfläche zuerst bahnweise und dann lagenweise abgelegt werden. Bei der Fiber Placement Technologie werden dabei gleichzeitig mehrere, meist 8, 16 oder 32 schmale Materialstreifen, sogenannte Tows, auf dem Werkzeug abgelegt. Im Gegensatz hierzu werden bei der Fiber Tape Laying Technologie meist breite Faserbahnen, auch Tapes genannt (in der Regel 150 mm, 300 mm oder 600 mm breit mit einer Dicke von wenigen Zehntel Millimeter), mithilfe des Faserlegekopfes auf dem Formwerkzeug abgelegt.Before the matrix material hardens, the fiber material is usually introduced into a mold that reproduces the subsequent component shape with its shaping tool surface. Both dry and pre-impregnated fiber materials can be placed or introduced into the mold. For the production of large-scale structural components, such as wing shells of commercial aircraft or rotor blades of wind turbines, automated fiber laying processes are used to optimize the laying process, in which a production system and at least one fiber laying head are used to lay a quasi-endless fiber material fed to the fiber laying head on the tool. With the so-called fiber placement technology, for example, pre-impregnated fiber materials are placed in webs on the mold using such a fiber laying head. The fiber laying head is arranged on a robot and can be moved or moved relative to the mold. As a result, the individual fiber webs can first be laid down in webs and then in layers on the tool surface. With fiber placement technology, several, usually 8, 16 or 32 narrow material strips, so-called tows, are placed on the tool at the same time. In contrast, with fiber tape laying technology, wide fiber webs, also known as tapes (usually 150 mm, 300 mm or 600 mm wide with a thickness of a few tenths of a millimeter), are laid on the forming tool using the fiber laying head.

Eine solche automatisierte Faserlegeanlage ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 027 B1 bekannt, bei der auf einem umlaufenden Schienensystem mehrere Roboter geführt werden, die jeweils einen Ablegekopf als Endeffektor haben. Mittels einer Faserzuführung werden den Ablegeköpfen kontinuierlich Fasermaterial aus einem Fasermagazin zugeführt, während die einzelnen Roboter mit ihren Ablegeköpfen das ihnen zugeführte Fasermaterial auf einem in der Mitte des umlaufenden Schienensystems vorgesehenen Formwerkzeug ablegen. Mithilfe der Faserlegeköpfe werden somit in dem Formwerkzeug sogenannte Faserlaminate, auch Faserpreformen genannt, hergestellt, bei denen der Prozess des Aushärtens des Matrixmaterials noch nicht stattgefunden hat. Derartige Faserlaminate (auch Faserpreforms genannt) bilden somit das Bauteil in einem Rohzustand vor dem Aushärten des Matrixmaterials ab. Dabei können trockene Fasermaterialen abgelegt werden, die zu einem späteren Zeitpunkt mit einem Matrixmaterial infundiert werden. Hierfür wird ein Vakuumaufbau erstellt, unter dem die trockene Faserpreform eingeschlossen ist, wobei anschließend die trockene Faserpreform evakuiert wird. Denkbar ist aber auch, dass bereits vorimprägnierte Fasermaterialen abgelegt werden, so dass ein Infundieren von Matrixmaterial entfallen kann.Such an automated fiber laying system is, for example, from DE 10 2010 015 027 B1 known in which several robots are guided on a revolving rail system, each of which has a laying head as an end effector. Fiber material is continuously fed to the laying heads from a fiber magazine by means of a fiber feed, while the individual robots place the fiber material supplied to them with their laying heads on a mold provided in the center of the circulating rail system. With the help of the fiber laying heads, so-called fiber laminates, also known as fiber preforms, are produced in the mold, in which the process of curing the matrix material has not yet taken place. Such fiber laminates (also called fiber preforms) thus form the structure part in a raw state before the matrix material hardens. In this way, dry fiber materials can be laid down, which are infused with a matrix material at a later point in time. For this purpose, a vacuum structure is created under which the dry fiber preform is enclosed, with the dry fiber preform then being evacuated. However, it is also conceivable that fiber materials that have already been pre-impregnated are laid down, so that an infusion of matrix material can be omitted.

Faserlaminate bzw. Faserpreformen für großskaligen Strukturbauteilen, wie beispielsweise Flügel oder Rotorblätter, bestehen nicht selten aus vielen Einzellagen, die je nach Anwendungsgebiet des Bauteils auch mehr als 100 Lagen umfassen können. Zur Gewährleistung einer hohen Bauteilqualität muss die Anzahl auftretender Prozessfehler bei der Ablage des Fasermaterials minimiert bzw. gänzlich verhindert werden. Das Auftreten von Prozessfehlern bzw. Fertigungsabweichungen mit großem negativen Einfluss auf die Festigkeit der Bauteilstruktur muss nach Möglichkeit vollständig im Prozess erkannt und wünschenswerter Weise auch unterbunden werden.Fiber laminates or fiber preforms for large-scale structural components, such as wings or rotor blades, often consist of many individual layers, which can include more than 100 layers depending on the area of application of the component. In order to ensure high component quality, the number of process errors that occur when laying down the fiber material must be minimized or prevented entirely. The occurrence of process errors or manufacturing deviations with a major negative impact on the strength of the component structure must, if possible, be fully recognized in the process and, if possible, also prevented.

In der Praxis hat sich hierfür oftmals die manuelle Inspektion der Faserlaminate bzw. der Einzellagen etabliert. Je nach Bauteilgröße, Mitarbeiterverfügbarkeit und Fehlerhäufigkeit innerhalb einer Einzellagen werden im Mittel etwa 15 bis 30 Minuten benötigt, die Ablage einer einzigen Faserlage zu untersuchen. Da jedoch die Ablage einer einzelnen Faserlage in der Regel deutlich schneller mithilfe automatisierter Faserlegeanlagen durchgeführt werden kann, wird durch die manuelle Inspektion die Anlageneffizienz deutlich herabgesetzt. So werden bei der Herstellung von Flügelschalen für Kurzstreckenflugzeuge bis zu 400 Einzellagen benötigt, woraus sich aufgrund der manuellen Inspektion ein Anlagenstillstand von 6000 bis 12.000 Minuten pro Bauteil ergibt.In practice, manual inspection of the fiber laminates or the individual layers has often been established for this purpose. Depending on the size of the component, the availability of employees and the frequency of errors within an individual layer, it takes an average of 15 to 30 minutes to examine the placement of a single fiber layer. However, since the laying of a single fiber layer can usually be carried out much more quickly using automated fiber laying systems, the system efficiency is significantly reduced by manual inspection. For example, up to 400 individual layers are required to manufacture wing shells for short-haul aircraft, resulting in a plant downtime of 6,000 to 12,000 minutes per component due to the manual inspection.

Ebenso ist die Inspektion durch einen geschulten Mitarbeiter stark vom Erfahrungsgrad abhängig und darüber hinaus nicht in dem Maße qualitativ ausreichend, wie es die Fertigungstoleranzen eigentlich erfordern. Als Beispiel ist ein zulässiger Abstand zwischen 2 Materialbahnen von 1 mm genannt, der qualitativ nur unter Verwendung von Hilfsmitteln und dies auch nur stichpunktartig untersucht werden kann.Likewise, the inspection by a trained employee is highly dependent on the level of experience and, moreover, is not qualitatively sufficient to the extent that the manufacturing tolerances actually require. As an example, a permissible distance of 1 mm between 2 webs of material is given, which can only be qualitatively examined using tools and this can only be spot-checked.

Aus diesen Gründen ist eine automatisierte Untersuchung abgelegter Faserlagen zur Erkennung von Ablegefehlern wünschenswert, um sowohl qualitativ als auch quantitativ das Erkennen von Oberflächenfehlern abgelegter Fasermaterialien zu verbessern.For these reasons, an automated examination of laid fiber layers to detect laying defects is desirable in order to improve the detection of surface defects in laid fiber materials both qualitatively and quantitatively.

Aus der DE 10 2013 104 546 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen von auf einer Werkzeugoberfläche abgelegten Faserhalbzeugen bekannt, wobei mithilfe eines Lichtprojektionsverfahrens, bei dem die Oberfläche mit Licht einer Lichtquelle aus einer ersten Richtung beleuchtet und das von der Oberfläche reflektierte Licht aus einer anderen, zweiten Richtung mit einer Kamera aufgenommen wird, ein Höhenprofil der Fasermaterialoberfläche in Abhängigkeit von den aufgenommenen Bilddaten der Kamera erzeugt wird. Anhand dieses Höhenprofils können nun Fehlstellen durch eine Bildauswertung in der Fasermaterialoberfläche erkannt werden.From the DE 10 2013 104 546 A1 a method for detecting defects in semi-finished fiber products placed on a tool surface is known, using a light projection method in which the surface is illuminated with light from a light source from a first direction and the light reflected from the surface is recorded with a camera from another, second direction a height profile of the fiber material surface is generated as a function of the image data recorded by the camera. Based on this height profile, flaws can now be detected by an image evaluation in the fiber material surface.

Aus der DE 10 2013 112 260 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen mithilfe eines Lichtprojektionsverfahrens bekannt, wobei hierbei die Fasermaterialoberfläche zusätzlich zu dem Licht der Lichtquelle des Lichtprojektionsverfahrens mittels einer Beleuchtungseinheit beleuchtet wird und anschließend zusätzlich zu dem Höhenprofil die Fehlstellen auch in Abhängigkeit einer Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes der Beleuchtungseinheit ermittelt werden.From the DE 10 2013 112 260 A1 a method for detecting defects using a light projection method is also known, in which case the fiber material surface is illuminated by means of a lighting unit in addition to the light from the light source of the light projection method and then, in addition to the height profile, the defects are also determined as a function of an intensity distribution of the reflected light of the lighting unit .

Weiterhin ist aus der DE 10 2013 104 545 A1 ein Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen mithilfe eines Lichtprojektionsverfahrens bekannt, wobei hierbei zusätzlich zu der Ermittlung des Höhenprofils die Werkzeugoberfläche oder die abgelegten Fasermaterialien temperiert und anschließend mit einer Thermokamera aufgenommen werden. Basierend auf den Thermographiebildern der Thermographiekamera sowie dem zugrunde liegenden Höhenprofil aus dem Lichtprojektionsverfahren können nun Fehlstellen auf der Fasermaterialoberfläche erkannt werden.Furthermore, from the DE 10 2013 104 545 A1 a method for detecting defects using a light projection method is known, in which case, in addition to determining the height profile, the tool surface or the deposited fiber materials are tempered and then recorded with a thermal camera. Based on the thermographic images of the thermographic camera and the underlying height profile from the light projection process, defects on the fiber material surface can now be detected.

Die oben beispielhaft beschriebenen Qualitätssicherungssysteme, mit denen sich qualitätsbezogene Materialeigenschaften von Fasermaterialien eines Faserverbundwerkstoffes bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils ermitteln lassen, basieren grundsätzlich auf der Idee, die Fasermaterialoberfläche mithilfe eines Laserlichtschnittsensors zu erfassen und ein Höhenprofil (Tiefenbild, dargestellt meist in Falschfarben) des abgelegten Fasermaterial zu erstellen, aus dem dann qualitätsbezogene Materialeigenschaft ermittelt werden können.The quality assurance systems described above as examples, with which quality-related material properties of fiber materials of a fiber composite material can be determined during the manufacture of a fiber composite component, are fundamentally based on the idea of capturing the fiber material surface using a laser light section sensor and a height profile (depth image, usually shown in false colors) of the laid fiber material to create, from which quality-related material properties can then be determined.

Bei derartigen Qualitätssicherungssystemen, mit denen sich die Ablagequalität von abgelegten Fasermaterialien insbesondere innerhalb eines Faserlegeprozesse während der Faserablage (sogenannte Inline Qualitätssicherung) bestimmen lässt, besteht das Bedürfnis, die Güte bzw. Genauigkeit des Qualitätssicherungssystems im Vorhinein abschätzen zu können. Für strukturkritische Bereiche besteht zudem die Anforderung eines Nachweises für die Funktionsfähigkeit des Qualitätssicherungssystems, damit auf eine manuelle Inspektion der hergestellten Faserlaminate verzichtet werden kann. Dabei ist der Nachweis der prozesssicheren Detektion notwendig, um insbesondere in der Luftfahrt eine automatisierte Ablage von Fasermaterial und automatisierte Qualitätssicherung abgelegter Fasermaterialen zertifizierbar zu machen.With quality assurance systems of this type, with which the laying quality of laid fiber materials can be determined in particular within a fiber laying process during fiber laying (so-called inline quality assurance), there is a need to be able to assess the quality or accuracy of the quality assurance system in advance. For structurally critical areas, there is also a requirement for proof ses for the functionality of the quality assurance system, so that a manual inspection of the manufactured fiber laminates can be dispensed with. Proof of process-reliable detection is necessary in order to make automated depositing of fiber material and automated quality assurance of deposited fiber material certifiable, particularly in aviation.

Aus der nachveröffentlichten DE 10 2020 103 067 A1 ist Verfahren zum Verifizieren eines automatisierten Qualitätssicherungssystems zum Erfassen wenigstens einer qualitätsbezogenen Materialeigenschaft abgelegter Fasermaterialien eines Faserverbundwerkstoffes zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt, wobei das zu verifizierende Qualitätssicherungssystem Messdaten einer Fasermaterialoberfläche des abgelegten Fasermaterials mittels zumindest eines Sensors einer ersten Aufnahmesensorik erfasst, aus den Messdaten eine Mehrzahl von Messdatenmerkmalen mittels einer Ermittlungseinheit ermittelt und aus den Messdatenmerkmalen mittels einer Auswerteeinheit die wenigstens eine qualitätsbezogene Materialeigenschaft erkennt. Dabei werden verschiedene Messreihen mit verschiedenen Messvorrichtungen an einer Fasermaterialprobe durchgeführt, wobei mittels einer bereitgestellten, maschinell gelernten Korrelation von Messdaten der verschiedenen Messvorrichtungen das zu verifizierenden Qualitätssicherungssystems hinsichtlich seiner Messqualität verifiziert werden kann.From the post-published DE 10 2020 103 067 A1 a method for verifying an automated quality assurance system for detecting at least one quality-related material property of deposited fiber materials of a fiber composite material for the production of a fiber composite component is known, wherein the quality assurance system to be verified acquires measurement data of a fiber material surface of the deposited fiber material by means of at least one sensor of a first recording sensor system, from the measurement data a plurality of measurement data characteristics determined by means of a determination unit and recognizes the at least one quality-related material property from the measurement data features by means of an evaluation unit. Various series of measurements are carried out on a fiber material sample using different measuring devices, with the quality assurance system to be verified being able to be verified with regard to its measurement quality by means of a provided, machine-learned correlation of measurement data from the different measuring devices.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem die Sensorqualität eines optischen Sensorsystems, insbesondere eines Lichtschnittsensors, bei der Qualitätssicherung von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes einfach und schnell ermittelbar ist.It is the object of the present invention to specify an improved method with which the sensor quality of an optical sensor system, in particular a light section sensor, can be determined simply and quickly during the quality assurance of fiber material of a fiber composite material.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unterlagen.The object is achieved with the method according to claim 1 according to the invention. Advantageous configurations of the invention can be found in the relevant documents.

Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Bestimmen der Sensorgüte eines optischen Sensorsystems in Bezug auf ein Fasermaterial vorgeschlagen, wobei das optische Sensorsystem zum Erfassen einer durch das Fasermaterial gebildeten Fasermaterialoberfläche und zum Erstellen eines Tiefenbildes basierend auf der erfassten Fasermaterialoberfläche ausgebildet ist. Bei dem optischen Sensorsystem handelt es sich demnach um ein Qualitätssicherungssystem, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind und zur automatisierten Qualitätskontrolle bei der Ablage von Fasermaterial zur Herstellung eines Faserverbundbauteils verwendet werden. Ein solches optische Sensorsystem hat dabei mindestens einen optischen Sensor (Kamera), der in einem vorgegebenen Spektrum die Fasermaterialoberfläche aufnehmen bzw. Erfassen kann. Hierneben ist es denkbar, dass das optische Sensorsystem weitere Beleuchtungselemente hat, um die Fasermaterialoberfläche zu bestrahlen.According to claim 1, a method for determining the sensor quality of an optical sensor system in relation to a fiber material is proposed, the optical sensor system being designed to detect a fiber material surface formed by the fiber material and to create a depth image based on the detected fiber material surface. The optical sensor system is therefore a quality assurance system, as is known from the prior art and is used for automated quality control when laying down fiber material to produce a fiber composite component. Such an optical sensor system has at least one optical sensor (camera) that can record or detect the fiber material surface in a predetermined spectrum. In addition, it is conceivable that the optical sensor system has additional lighting elements in order to irradiate the fiber material surface.

Bei einem solchen Qualitätssicherungssystem kann es sich beispielsweise um ein Laserlichtschnittsensor handeln, der eine Laserlinie auf die Fasermaterialoberfläche des Fasermaterials projiziert und mittels einer Kamera die projizierte Laserlinie aufnimmt. Da sowohl die Laserlinie als auch die Kamera in jeweils voneinander verschiedenen Winkeln zu der Fasermaterialoberfläche stehen, insbesondere die Laserlinie nicht orthogonal zur Fasermaterialoberfläche steht, können Unebenheiten aus einer Abweichung der geraden Laserlinie automatisiert durch eine Bildauswertung erkannt werden. Daraus lässt sich dann ein Tiefenbild erstellen, welches beispielsweise durch Falschfarbendarstellungen eine Tiefeninformation in der zweidimensionalen Darstellung der Fasermaterialoberfläche kodiert. Ein solches Tiefenbild stellt demnach ein Höhenprofil der Fasermaterialoberfläche des abgelegten Fasermaterials dar.Such a quality assurance system can be a laser light section sensor, for example, which projects a laser line onto the fiber material surface of the fiber material and records the projected laser line by means of a camera. Since both the laser line and the camera are at different angles to the fiber material surface, in particular the laser line is not orthogonal to the fiber material surface, unevenness from a deviation of the straight laser line can be automatically detected by image evaluation. A depth image can then be created from this, which, for example, encodes depth information in the two-dimensional representation of the fiber material surface by means of false-color representations. Such a depth image therefore represents a height profile of the fiber material surface of the laid fiber material.

Bei dem Fasermaterial handelt es sich um einen Bestandteil eines Faserverbundwerkstoffes, der zur Herstellung eines Faserverbundbauteils auf einem Formwerkzeug abgelegt wurde. Das Fasermaterial kann dabei trockenes oder vorimprägniertes (Prepregs) Fasermaterial sein. Bei dem Fasermaterial kann es sich um eine Vielzahl von Tapes oder Tows handeln.The fiber material is a component of a fiber composite material that was placed on a mold to produce a fiber composite component. The fiber material can be dry or pre-impregnated (prepreg) fiber material. The fiber material can be a large number of tapes or tows.

Es wird zunächst ein digitales Materialmodell des Fasermaterials in einer Recheneinheit bereitgestellt, wobei das Materialmodell ein optisches Reflexionsverhalten des Fasermaterials durch wenigstens einen reflexionsbezogenen Parameter beschreibt. Ein solcher reflexionsbezogener Parameter kann beispielsweise die Rückstrahlintensität einer Laserbestrahlung des Fasermaterials bzw. der Fasermaterialoberfläche sein.First, a digital material model of the fiber material is provided in a computing unit, the material model describing an optical reflection behavior of the fiber material using at least one reflection-related parameter. Such a reflection-related parameter can be, for example, the reflected light intensity of a laser irradiation of the fiber material or the fiber material surface.

Basierend auf diesem digitalen Materialmodell wird nun ein digitales Sensormodell des optischen Sensorsystems in Abhängigkeit von wenigstens einem sensorbezogenen Parameter des optischen Sensorsystems initialisiert. Das digitale Sensormodell abstrahiert dabei basierend auf der Kenntnis des Eingangs und einer Verarbeitung die digitale Antwort des Sensors und bildet somit dessen Verhalten in einer abstrahierten Form nach. Ein solches Sensormodell kann beispielsweise nach dem EMVA 1288 Sensormodellstandard abgebildet werden.Based on this digital material model, a digital sensor model of the optical sensor system is now initialized as a function of at least one sensor-related parameter of the optical sensor system. Based on the knowledge of the input and processing, the digital sensor model abstracts the digital response of the sensor and thus reproduces its behavior in an abstract form. Such a sensor model can be mapped according to the EMVA 1288 sensor model standard, for example.

So kann bspw. basierend auf einer Berechnung der Anzahl von empfangenen Photonen sowie Parametern einer internen Sensorcharakteristik (Kameracharakteristik) die Sensorantwort modelliert werden, bspw. in Form einen digitalen Grauwertes für jeden Kamerapixel.For example, based on a calculation of the number of received photons and Parameters of an internal sensor characteristic (camera characteristic), the sensor response is modeled, e.g. in the form of a digital gray value for each camera pixel.

Mithilfe der Recheneinheit wird nun eine Wahrscheinlichkeitsverteilung mittels einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für wenigstens einen Parameter des das optische Sensorsystem beschreibenden digitalen Sensormodells berechnet, aus der dann eine Schätzung eines bestmöglichen Parameterwertes für den mindestens einen Parameter, für den die Wahrscheinlichkeitsverteilung berechnet wurde, basierend auf einer Informationsungleichung berechnet werden kann. In Abhängigkeit der so berechneten bestmöglichen Parameterwerte kann dann die Sensorgüte des optischen Sensorsystems in Bezug zu dem verwendeten Fasermaterial bestimmt werden.With the aid of the computing unit, a probability distribution is now calculated using a probability density function for at least one parameter of the digital sensor model describing the optical sensor system, from which an estimate of the best possible parameter value for the at least one parameter for which the probability distribution was calculated, based on an information inequality, is calculated can. Depending on the best possible parameter values calculated in this way, the sensor quality of the optical sensor system can then be determined in relation to the fiber material used.

Die vorliegende Erfindung bietet demnach die Möglichkeit, die bestenfalls erreichbaren Datenqualität eines optischen Sensorsystems zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen zu modellieren und zu bewerten, sodass bereits vor der Nutzung eines solchen optischen Sensorsystems geprüft werden kann, ob die physikalisch bestenfalls erzielbare Datenqualität ausreichend für die Anforderung des automatisierten Fertigungsprozesses ist. Darüber hinaus kann so bereits frühzeitig abgeschätzt werden, wie nahe die gewünschte Bildqualität am physikalisch möglichen Optimum liegt und somit auch, wie hoch der notwendige Aufwand für Optimierung und Parametrierung eines solchen optischen Sensorsystems ist. Eine und vorteilhafte Auswahl eines optischen Sensorsystems für das verwendete Fasermaterial kann hierdurch ebenfalls frühzeitig ermittelt werden und somit potentiell hohe Folgekosten eingespart werden.The present invention therefore offers the possibility of modeling and evaluating the best achievable data quality of an optical sensor system for quality assurance in the production of fiber composite components, so that even before the use of such an optical sensor system it can be checked whether the physically best achievable data quality is sufficient for the requirement of the automated manufacturing process. In addition, it can be estimated at an early stage how close the desired image quality is to the physically possible optimum and thus also how high the effort required for optimization and parameterization of such an optical sensor system is. An advantageous selection of an optical sensor system for the fiber material used can thus also be determined at an early stage and thus potentially high follow-up costs can be saved.

Die Erfinder haben dabei erkannt, dass durch eine Modellierung des Reflexionsverhalten einer Fasermaterialoberfläche eines Fasermaterials sowie durch die Modellierung des verwendeten Sensors und seiner gegebenen Charakteristik unter Anwendung einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion und einer Informationsungleichung die bestenfalls erreichbaren Datenqualität unter physikalischen Gesichtspunkten vorab ermittelt werden kann, um so im Vorfeld das verwendete optische Sensorsystem hinsichtlich der zu erzielenden Datenqualität bewerten zu können.The inventors have recognized that by modeling the reflection behavior of a fiber material surface of a fiber material and by modeling the sensor used and its given characteristics using a probability density function and an information inequality, the best achievable data quality can be determined in advance from a physical point of view, so in advance to be able to evaluate the optical sensor system used with regard to the data quality to be achieved.

Demnach wird unter der Bestimmung der Sensorgüte die Bestimmung der zu erzielenden Datenqualität des verwendeten optischen Sensorsystems in Bezug auf das verwendete Fasermaterial verstanden.Accordingly, the determination of the sensor quality is understood to mean the determination of the data quality to be achieved for the optical sensor system used in relation to the fiber material used.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das optische Sensorsystem ein Laserlichtschnittsensor ist, bei dem mittels eines Linienlasers des optischen Sensorsystems eine Laserline auf die Fasermaterialoberfläche projiziert, diese projizierte Laserlinie mittels eines optischen Sensors des optischen Sensorsystems erfasst und mittels einer Verarbeitungseinheit in Abhängigkeit von der erfassten Laserlinie ein Tiefenbild der Fasermaterialoberfläche erstellt wird.According to one embodiment, it is provided that the optical sensor system is a laser light section sensor in which a line laser of the optical sensor system projects a laser line onto the fiber material surface, this projected laser line is detected by an optical sensor of the optical sensor system and by a processing unit depending on the detected laser line a depth image of the fiber material surface is created.

Die Laserlinie wird dabei aus einer ersten Richtung auf das Fasermaterial projiziert, während das Fasermaterial zusammen mit der projizierten Laserlinie aus einer zweiten Richtung, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, aufgenommen wird. Die Laserlinie wird dabei vorzugsweise nicht orthogonal zu der Fasermaterialoberfläche auf diese projiziert. Mithilfe einer Bildauswertung kann nun die Verzerrung der Ansicht geraden Laserlinie auf der projizierten Fasermaterialoberfläche detektiert und daraus dann ein Tiefenbild erstellt werden, welches eine Tiefeninformation in der zweidimensionalen Ebene der Fasermaterialoberfläche kodiert. Hierdurch wird somit ein Höhenprofil der Fasermaterialoberfläche erstellt. Basierend auf einem solchen Höhenprofil können dann Fehlstellen auf der Fasermaterialoberfläche, die aus dem Stand der Technik bekannt, detektiert werden.The laser line is projected onto the fiber material from a first direction, while the fiber material is recorded together with the projected laser line from a second direction, which differs from the first direction. In this case, the laser line is preferably not projected onto the fiber material surface orthogonally to the latter. With the help of an image evaluation, the distortion of the view of a straight laser line on the projected fiber material surface can now be detected and a depth image can then be created from this, which encodes depth information in the two-dimensional plane of the fiber material surface. This creates a height profile of the fiber material surface. Based on such a height profile, flaws on the fiber material surface, which are known from the prior art, can then be detected.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das digitale Sensormodell des optischen Sensorsystems in Abhängigkeit von wenigstens einem sensorbezogenen optischen Eingangsparameter des optischen Sensorsystems, wenigstens einem sensorbezogenen Verarbeitungsparameter des optischen Sensorsystems und/oder wenigstens einem sensorbezogenen Ausgangsparameter des optischen Sensorsystems durch die Recheneinheit initialisiert und modelliert wird.According to one embodiment, it is provided that the digital sensor model of the optical sensor system is initialized and modeled by the computing unit as a function of at least one sensor-related optical input parameter of the optical sensor system, at least one sensor-related processing parameter of the optical sensor system and/or at least one sensor-related output parameter of the optical sensor system.

Optische Eingangsparameter des Sensormodells können beispielsweise die Anzahl der Photonen sein. Sensorbezogenen Verarbeitungsparameter beziehen sich hingegen auf eine sensorische Charakteristik des verwendeten Sensorsystems und werden in der Regel vom Hersteller des optischen Sensorsystems angegeben. Ein sensorbezogener Ausgangsparameter des optischen Sensorsystems kann dabei eine digitaler Graustufen wert sein.Optical input parameters of the sensor model can be the number of photons, for example. Sensor-related processing parameters, on the other hand, relate to a sensory characteristic of the sensor system used and are usually specified by the manufacturer of the optical sensor system. A sensor-related output parameter of the optical sensor system can be worth a digital gray scale.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine geometrische Abmessung (A) eines optischen Sensorpixels des optischen Sensorsystems, eine Bestrahlungsstärke (E) der Rückreflektion von der Fasermaterialoberfläche, eine Belichtungszeit (t), eine Wellenlänge (λ) einer auf die Fasermaterialoberfläche projizierten Lichtprojektion und/oder eine mittlere Anzahl in das optische Sensorsystem einfallender Photonen (µp) als sensorbezogener Parameter für die Initialisierung des digitalen Sensormodells verwendet wird.According to one embodiment it is provided that a geometric dimension (A) of an optical sensor pixel of the optical sensor system, an irradiance (E) of the back reflection from the fiber material surface, an exposure time (t), a wavelength (λ) of a light projection projected onto the fiber material surface and/or or an average number of photons (µ p ) incident on the optical sensor system as sensor-related Parameter used to initialize the digital sensor model.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mittlere Anzahl in das optische Sensorsystem einfallender Photonen (µp) wie folgt berechnet wird: μ p = A   E   t   λ h   c

Figure DE102021117283A1_0001
mit A als geometrische Abmessung eines optischen Sensorpixels, E als Bestrahlungsstärke der Rückreflexion von der Fasermaterialoberfläche, t als Belichtungszeit, λ als Wellenlänge einer auf die Fasermaterialoberfläche projizierten Lichtprojektion, h als das Plank'sche Wirkungsquantum und c als die Lichtgeschwindigkeit.According to one embodiment, the average number of photons (µ p ) incident on the optical sensor system is calculated as follows: µ p = A E t λ H c
Figure DE102021117283A1_0001
where A is the geometric dimension of an optical sensor pixel, E is the irradiance of the back reflection from the fiber material surface, t is the exposure time, λ is the wavelength of a light projection projected onto the fiber material surface, h is the Plank constant and c is the speed of light.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Fisher-Information als Wahrscheinlichkeitsdichte und die Fisher-Information-Matrix als Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion verwendet wird. Die auf den Kamerasensor auftreffenden Photonen werden dabei als Eingang (Input) für die Fisher-Information-Matrix als Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion verwendet.According to one embodiment, it is provided that the Fisher information is used as the probability density and the Fisher information matrix is used as the probability density function. The photons hitting the camera sensor are used as an input for the Fisher information matrix as a probability density function.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Fisher-Information-Matrix wie folgt berechnet wird: I ( θ ) = k = 1 K ( μ y θ ) T ( μ y θ ) E [ (  ln ( ρ ( μ e ) ) μ y ) 2 ]

Figure DE102021117283A1_0002
mit θ als Parametervektor mit wenigstens einem sensorbezogenen Parameter, k als Index des k-ten Pixel aller zuvor betrachteten Pixel der betrachteten Pixelumgebung des optischen Sensorsystems, µy als Mittelwert des digitalen Ausgangssignals des optischen Sensorsystems, µe als die Anzahl von in das optischen Sensorsystem einfallender Photonen im Betrachtungszeitraum und E als Erwartungswert, wobei das zugrundeliegende Parametermodell wie folgt beschrieben ist: μ y = K ( μ e + μ d )
Figure DE102021117283A1_0003
mit µe als die Anzahl von in das optischen Sensorsystem einfallender Photonen im Betrachtungszeitraum, µd als Mittelwert des schwarzen Rauschens und K als Verstärkungsfaktor des Signals.According to one embodiment, the Fisher information matrix is calculated as follows: I ( θ ) = k = 1 K ( µ y θ ) T ( µ y θ ) E [ ( ln ( ρ ( µ e ) ) µ y ) 2 ]
Figure DE102021117283A1_0002
with θ as a parameter vector with at least one sensor-related parameter, k as the index of the kth pixel of all previously considered pixels of the considered pixel environment of the optical sensor system, µ y as the mean value of the digital output signal of the optical sensor system, µ e as the number of in the optical sensor system incident photons in the observation period and E as the expected value, with the underlying parameter model being described as follows: µ y = K ( µ e + µ i.e )
Figure DE102021117283A1_0003
with µ e as the number of incident photons in the optical sensor system in the observation period, µ d as the mean value of the black noise and K as the amplification factor of the signal.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für die Schätzung eines bestmöglichen Parameterwertes für wenigstens einen Parameter die Cramer-Rao-Lower-Bound berechnet wird. Die Cramer-Rao-Lower-Bound fibt für das zugrundeliegende Sensormodell und die sensorbezogenen Parameter im Parametervektor die bestmögliche Präzision auf Basis des verwendeten Sensormodells an.According to one embodiment, it is provided that the Cramer-Rao lower bound is calculated for the estimation of the best possible parameter value for at least one parameter. The Cramer-Rao Lower Bound specifies the best possible precision for the underlying sensor model and the sensor-related parameters in the parameter vector based on the sensor model used.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Cramer-Rao-Lower-Bound wie folgt berechnet wird: C o v ( θ ^ ) I 1 ( θ )

Figure DE102021117283A1_0004
mit θ als Parametervektor mit wenigstens einem sensorbezogenen Parameter.According to one embodiment, the Cramer-Rao lower bound is calculated as follows: C O v ( θ ^ ) I 1 ( θ )
Figure DE102021117283A1_0004
with θ as a parameter vector with at least one sensor-related parameter.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das digitale Materialmodell als reflexionsbezogenen Parameter eine Intensitätsverteilung der von der Fasermaterialoberfläche reflektierten Strahlung ist.According to one embodiment, it is provided that the digital material model is an intensity distribution of the radiation reflected by the fiber material surface as a reflection-related parameter.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Intensitätsverteilung über eine 2D Normalverteilungsfunktion modelliert wird.According to one embodiment, it is provided that the intensity distribution is modeled using a 2D normal distribution function.

Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Computerprogramm gemäß Anspruch 13 erfindungsgemäß gelöst, wobei das Computerprogramm mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage ausgeführt wird.The object is also achieved according to the invention with the computer program according to claim 13, the computer program being set up with program code means for carrying out the method described above when the computer program is executed on a data processing system.

Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial gemäß Anspruch 14 erfindungsgemäß gelöst, wobei mittels eines optischen Sensorsystems eine Fasermaterialoberfläche des abgelegten Fasermaterials erfasst, ein Tiefenbild basierend auf der erfassten Fasermaterialoberfläche erstellt und Fehlstellen an dem abgelegten Fasermaterial in Abhängigkeit von dem erstellten Tiefenbild detektiert werden. Dabei wird erfindungsgemäß die Sensorgüte des optischen Sensorsystems in Bezug auf das verwendete Fasermaterial gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt.The object is also achieved according to the invention with the method for depositing fiber material according to claim 14, with an optical sensor system detecting a fiber material surface of the deposited fiber material, creating a depth image based on the detected fiber material surface and defects in the deposited fiber material depending on the created Depth image are detected. According to the invention, the sensor quality of the optical sensor system is determined in relation to the fiber material used according to the method described above.

Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Anlage zum Ablegen von Fasermaterial gemäß Anspruch 15 erfindungsgemäß gelöst, wobei die Anlage ein optisches Sensorsystem hat, das zum Erfassen einer durch das Fasermaterial gebildeten Fasermaterialoberfläche und zum Erstellen eines Tiefenbildes basierend auf der erfassten Fasermaterialoberfläche ausgebildet ist. Dabei hat die Anlage eine Datenverarbeitungsanlage zur Bestimmung der Sensorgüte des optischen Sensorsystems, die zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.The object is also achieved according to the invention with the system for depositing fiber material according to claim 15, wherein the system has an optical sensor system that is designed to detect a fiber material surface formed by the fiber material and to create a depth image based on the detected fiber material surface. The system has a data processing system for determining the sensor quality of the optical sensor system, which is set up to carry out the method described above.

Eine solche Anlage kann mindestens einen Bewegungsautomaten (beispielsweise einen Industrieroboters oder Knickarmroboter) aufweisen, an dem als Endeffektor ein Ablegekopf angeordnet ist. Im Ablegekopf wird dabei kontinuierlich ein Fasermaterial zugeführt, welches dann auf einem Werkzeug abgelegt wird. An dem Ablegekopf kann dabei mindestens ein optischer Sensor (Kamera) des optischen Sensorsystems angeordnet sein, wobei während des Ablegens des Fasermaterials der Ablegekopf gegenüber dem Werkzeug verfahren wird und dabei das bereits abgelegte Fasermaterial durch den optischen Sensor erfasst wird. Ein solcher optischer Sensor des optischen Sensorsystems kann dabei beispielsweise ein Laserlichtschnittsensor sein.Such a system can include at least one movement machine (e.g. an Indust ry robots or articulated-arm robots) on which a placement head is arranged as an end effector. A fiber material is continuously fed into the laying head, which is then laid down on a tool. At least one optical sensor (camera) of the optical sensor system can be arranged on the laying head, the laying head being moved relative to the tool while the fiber material is being laid down and the fiber material already laid down being detected by the optical sensor. Such an optical sensor of the optical sensor system can be a laser light section sensor, for example.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 schematische Darstellung eines Ablegekopfes mit einem Laserlichtschnittsensor im Nachlauf;
  • 2 schematisch stark vereinfachte Darstellung des Verfahrensablaufes;
  • 3 schematische Darstellung eines Sensormodells;
  • 4 schematische Darstellung des Messaufbaus zur Ermittlung reflexionsbezogener Parameter des Fasermaterials;
The invention is explained in more detail by way of example on the basis of the attached figures. Show it:
  • 1 schematic representation of a laying head with a laser light section sensor in the wake;
  • 2 schematic, highly simplified representation of the process sequence;
  • 3 schematic representation of a sensor model;
  • 4 schematic representation of the measurement setup for determining reflection-related parameters of the fiber material;

1 zeigt das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Aufnahme eines Höhenprofils mittels eines Laserlichtschnittsensors 5 im Nachlauf eines Ablegekopfes 1, der am unteren Ende eine Anpressrolle 2 aufweist, mit der ein flächiges Faserhalbzeug 3 auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche 4 abgelegt werden soll. Die abzulegenden Faserhalbzeuge können dabei trockene Rovings bzw. Tows sein, aber auch vorimprägnierte Prepregs. 1 shows the method known from the prior art for recording a height profile using a laser light section sensor 5 following a laying head 1, which has a pressure roller 2 at the lower end, with which a flat semi-finished fiber product 3 is to be laid on a shaping tool surface 4. The semi-finished fiber products to be laid can be dry rovings or tows, but also pre-impregnated prepregs.

Im Nachlauf des Ablegekopfes 1 ist an dem Ablegekopf 1 ein Laserlichtschnittsensor 5 angeordnet. Mit Hilfe einer Laserlichtquelle 6 wird eine Laserlichtlinie 7 auf den bereits abgelegten Teil des Faserhalbzeuges 3 projiziert. Die Projektion des Laserlichtes in Form einer Laserlichtlinie 7 auf das Faserhalbzeug 3 erfolgt dabei aus einer ersten Richtung.A laser light section sensor 5 is arranged on the laying head 1 downstream of the laying head 1 . With the aid of a laser light source 6, a laser light line 7 is projected onto the part of the semi-finished fiber product 3 that has already been laid down. The projection of the laser light in the form of a laser light line 7 onto the semi-finished fiber product 3 takes place from a first direction.

Der Laserlichtschnittsensor 5 weist des Weiteren eine Kamera 8 auf, die in einem definierten Abstand zu der Laserlichtquelle 6 angeordnet ist und die auf das Faserhalbzeug 3 projizierte Laserlichtlinie 7 aus einer anderen zweiten Richtung unter einem vorgegebenen und definierten Winkel aufnimmt.The laser light section sensor 5 also has a camera 8 which is arranged at a defined distance from the laser light source 6 and which records the laser light line 7 projected onto the semi-finished fiber product 3 from a different, second direction at a predetermined and defined angle.

Die Kamera 8 des Lichtschnittsensors 5 ist mit einer Bildauswerteeinheit 9 verbunden, die nun in Abhängigkeit der aufgenommenen Bilddaten und dem aus der Laserlichtlinie 7 reflektierten Lichtes ein entsprechendes Höhenprofil ermittelt. Da der Ablegekopf 1 zusammen mit dem Lichtschnittsensor 5 kontinuierlich auf der Werkzeugoberfläche 4 verfahren wird, ergeben sich eine Vielzahl von Bilddaten. Die Bilddaten und/oder die aus den Bilddaten ermittelten Höhenprofile pro Zeitpunkt lassen sich dann in einer Datenbank 9a abspeichern, so dass sich ein vollständiges dreidimensionales Höhenprofil bzw. Oberflächenstruktur der Oberfläche des Faserhalbzeuges 3 ergibt.The camera 8 of the light section sensor 5 is connected to an image evaluation unit 9 which now determines a corresponding height profile as a function of the recorded image data and the light reflected from the laser light line 7 . Since the placement head 1 is moved continuously on the tool surface 4 together with the light section sensor 5, a large number of image data results. The image data and/or the height profiles determined from the image data per point in time can then be stored in a database 9a so that a complete three-dimensional height profile or surface structure of the surface of the semi-finished fiber product 3 results.

Darüber hinaus lassen sich mit Hilfe der Bildauswerteeinheit 9 aus den Höhenprofilen die entsprechenden charakteristischen Fehlstellen ableiten, so dass während des Ablegens der Faserhalbzeuge 3 auf der Werkzeugoberfläche 4 sich gleich die Qualitätssicherung des Ablegeprozesses in Echtzeit anschließt.In addition, the corresponding characteristic flaws can be derived from the height profiles with the aid of the image evaluation unit 9, so that while the semi-finished fiber products 3 are being laid down on the tool surface 4, the quality assurance of the laying process follows in real time.

2 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf, wie er auf einer Datenverarbeitungsanlage 100 ausgeführt wird. Dabei wird zunächst ein digitales Materialmodell 110 bereitgestellt, aus dem dann ein digitales Sensormodell 120 initialisiert wird. Anschließend wird dann aus dieser Verkettung die sogenannte Fisher-Information als Wahrscheinlichkeitsverteilung 130 berechnet, die aus der statistischen Parameterschätzung bekannt ist und die zuvor modellierten Sensorparameter über eine Verteilungsdichtefunktion beschreibt. Hieraus wird dann die Cramer-Rao-Lower-Bound 140 berechnet, die eine Schätzung des physikalisch bestmöglichen Parameterwertes für jeden der zuvor im Sensor- und Materialmodell beschriebenen Parameter oder einer Auswahl hiervon angibt. Daraus lässt sich nun im Schritt 150 die Sensorgüte des optischen Sensorsystems, wie in 1 beschrieben, bestimmen. 2 shows the process sequence according to the invention in a highly simplified schematic representation, as it is carried out on a data processing system 100. First, a digital material model 110 is provided, from which a digital sensor model 120 is then initialized. The so-called Fisher information is then calculated from this chain as a probability distribution 130, which is known from the statistical parameter estimation and describes the previously modeled sensor parameters via a distribution density function. From this, the Cramer-Rao Lower Bound 140 is then calculated, which indicates an estimate of the physically best possible parameter value for each of the parameters previously described in the sensor and material model or a selection thereof. From this, the sensor quality of the optical sensor system can now be calculated in step 150, as in 1 described, determine.

3 zeigt ein Sensormodell eines optischen CCD/CMOS Kamerasensors aus dem EMVA 1288 Standard, anhand dessen nachfolgend im Detail die Berechnung der Sensorgüte dargestellt werden soll. Hierbei wird ein geeignetes mathematisches Modell genutzt, welches die relevanten Informationen beibehält, aber unnötige oder zu detaillierte Informationen abstrahiert. Ein solcher optischer Kamerasensor kann beispielsweise Teil eines Laserlichtschnittsensors sein, für den eine Laserline auf das Fasermaterial projiziert wird. 3 shows a sensor model of an optical CCD/CMOS camera sensor from the EMVA 1288 standard, which is used to show the calculation of the sensor quality in detail below. A suitable mathematical model is used here, which retains the relevant information but abstracts unnecessary or overly detailed information. Such an optical camera sensor can be part of a laser light section sensor, for example, for which a laser line is projected onto the fiber material.

Der Sensor wird dabei als Black-Box modelliert, sodass lediglich Wissen über die Inputs und Outputs des Sensors sowie deren Verarbeitung einschließlich der einwirkenden Störeinflüsse notwendig ist.The sensor is modeled as a black box, so that only knowledge about the inputs and outputs of the sensor and their processing including the influencing interference is required.

Der Output O eines solchen Sensormodells ist dabei die Summe aus dem Input I und der Veränderung des Eingangssignals (z.B. durch Rauschen, Verstärkung, Quantisierung, etc.) N, wobei die Variablen I, N, O jeweils durch eine Verteilungsfunktion mit einem Erwartungswert und einer Varianz charakterisiert sind. Es folgt: O = I + NThe output O of such a sensor model is the sum of the input I and the change change in the input signal (eg due to noise, amplification, quantization, etc.) N, with the variables I, N, O each being characterized by a distribution function with an expected value and a variance. It follows: O = I + N

Die Einflüsse des Sensors auf das Eingangssignal, welche durch N beschrieben sind, sind Sensor-Charakteristika, welche separat ermittelt werden müssen bzw. durch einen Sensor-Hersteller vorgegeben sind. Diese werden daher nachfolgend als gegeben angenommen und nicht im Detail betrachtet.The influences of the sensor on the input signal, which are described by N, are sensor characteristics that must be determined separately or are specified by a sensor manufacturer. These are therefore assumed to be given in the following and will not be considered in detail.

Die mittlere Anzahl einfallender Photonen µp ist in der nachfolgenden Gleichung 1 dargestellt.
Gl. 1
μ p = A   E   t   λ h   c

Figure DE102021117283A1_0005
The average number of incident photons μ p is shown in Equation 1 below.
Eq. 1
µ p = A E t λ H c
Figure DE102021117283A1_0005

Dabei ist A die geometrischen Abmessungen eines Pixels auf dem LLSS Kamerasensor und E die Bestrahlungsstärke des rückreflektieren Laserlichts, die von der Beschaffenheit des betrachteten Faserverbundmaterials abhängig ist. Variable t beschreibt die Belichtung-/ Bestrahlungszeit des betrachteten Pixels. Der Parameter λ ist die Wellenlänge des Laserlichtes. Die Konstanten h sind das Plank'sche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit.A is the geometric dimensions of a pixel on the LLSS camera sensor and E is the irradiance of the reflected laser light, which depends on the nature of the fiber composite material under consideration. Variable t describes the exposure/irradiation time of the observed pixel. The parameter λ is the wavelength of the laser light. The constants h are Plank's constant and c the speed of light.

Nachfolgend ist es notwendig, das Rückstrahlverhalten der Laserlinie des Laserlichtschnittsensors auf das Faserverbundmaterial zu modellieren. Hierbei wurde erkannt, dass die komplexe Modellierung einer quasi unendlichen Laserlinie runter gebrochen werden kann auf die mathematische Beschreibung eines einzelnen Laserpunktes, da die Laserlinie als eine Ansammlung und Verkettung einzelner Laserpunkte zu verstehen sein kann. Ein entsprechender Messaufbau wird hierzu in der 4 skizziert. 4 zeigt eine Messvorrichtung 10, um einen reflexionsbezogenen Parameter des Fasermaterials für das Materialmodell bestimmen zu können. Hierzu wird das auf das Werkzeug 4 abgelegte Fasermaterial 3, welches auch mit dem Laserlichtschnittsensor 5 erfasst werden soll, mithilfe eines Punktlasersensors 11 erfasst und die entsprechenden Daten ausgewertet.It is then necessary to model the reflection behavior of the laser line of the laser light section sensor on the fiber composite material. It was recognized here that the complex modeling of a quasi-infinite laser line can be broken down into the mathematical description of a single laser point, since the laser line can be understood as a collection and concatenation of individual laser points. A corresponding measurement setup is given in 4 sketched. 4 shows a measuring device 10 in order to be able to determine a reflection-related parameter of the fiber material for the material model. For this purpose, the fiber material 3 placed on the tool 4, which is also intended to be detected with the laser light section sensor 5, is detected using a point laser sensor 11 and the corresponding data is evaluated.

Der Punktlasersensor 11 weist einen Punktlaser 12 auf, der einen Laserpunkt 13 auf die Oberfläche des Fasermaterials 3 projiziert. Die Projektionsrichtung des Laserpunktes 13 erfolgt dabei insbesondere orthogonal zu der Oberfläche des Fasermaterials 3, um Verzerrungen aufgrund der Projektionsrichtungen zu vermeiden.The point laser sensor 11 has a point laser 12 which projects a laser point 13 onto the surface of the fiber material 3 . The projection direction of the laser point 13 is in particular orthogonal to the surface of the fiber material 3 in order to avoid distortions due to the projection directions.

Dieser auf die Oberfläche des Fasermaterials 3 projizierte Laserpunktes 13 wird nun mithilfe einer Kamera 14 des Punktlasersensors 11 aufgenommen und entsprechende digitalen Bilddaten generiert. Diese digitalen Bilddaten des aufgenommenen Laserpunktes 13 werden dann an einer Auswerteeinheit 15 übertragen, welche die Merkmale des projizierten Laserpunktes 13 extrahiert, das entsprechende Sensormodell initialisiert und die Sensorgüte aus dem initialisierten Sensormodell bestimmt.This laser point 13 projected onto the surface of the fiber material 3 is now recorded using a camera 14 of the point laser sensor 11 and corresponding digital image data is generated. This digital image data of the recorded laser point 13 is then transmitted to an evaluation unit 15, which extracts the features of the projected laser point 13, initializes the corresponding sensor model and determines the sensor quality from the initialized sensor model.

Dieser einfache Aufbau bietet die Möglichkeit, die aus der reflektierten Strahlung resultierende Signalqualität zu beschreiben. Das Verfahren berücksichtigt hierbei implizit die Streu- und Reflexionseigenschaften des Fasermaterials sowie darüber hinaus implizit die Strahlausbreitung im Faserverbundmaterial.This simple structure offers the possibility of describing the signal quality resulting from the reflected radiation. The method implicitly takes into account the scattering and reflection properties of the fiber material and also implicitly the beam propagation in the fiber composite material.

Konkret wird hierbei das Profil der rückgestrahlten Photonen bzw. die Intensitätsverteilung der reflektierenden Strahlung für einen Laserpunkt über eine entsprechende 2D Normalverteilungsfunktion modelliert. Die Photonen-Verteilungsfunktion f ist hierzu in Gleichung 2, die Punktantwortfunktion q in Gleichung 3 dargestellt. ƒ = q ( x , y )

Figure DE102021117283A1_0006
q = 1 2 π σ g exp ( x 2 + y 2 2 σ g 2 )
Figure DE102021117283A1_0007
Specifically, the profile of the reflected photons or the intensity distribution of the reflected radiation for a laser point is modeled using a corresponding 2D normal distribution function. For this purpose, the photon distribution function f is shown in Equation 2, and the point response function q in Equation 3. ƒ = q ( x , y )
Figure DE102021117283A1_0006
q = 1 2 π σ G ex ( x 2 + y 2 2 σ G 2 )
Figure DE102021117283A1_0007

Die Koordinate (x,y) beschreiben die Position des betrachteten Objektes in der Bildebene des Sensors. σg beschreibt die Standardverteilung des abgebildeten Laserpunkts.The coordinates (x,y) describe the position of the observed object in the image plane of the sensor. σ g describes the standard distribution of the imaged laser point.

Unter Einbezug der Erkenntnisse, über das Erscheinungsbild der Laserlinie bzw. die Art den Sensor zu modellieren, kann darauf aufbauend die Wahrscheinlichkeitsverteilung als Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ρ durch den rückgestrahlten Laserpunktes (über die Fläche des Sensors auftreffende Menge an Photonen) wie in Gleichung 4 beschrieben werden. Hierbei wurde erkannt, dass der Laserpunkt aufgrund des diffusen Rückstrahlverhaltens des Faserverbundmaterials nicht nur idealerweise auf einen Bildpixel des Kamerasensors zurückreflektiert und abgebildet wird, sondern auf eine Umgebung von mehreren Einzelpixeln. ρ ( μ e ) = e μ y π σ k l = 0 μ y l l ! e ( μ e l n k ) 2 2 σ k 2

Figure DE102021117283A1_0008
Taking into account the knowledge about the appearance of the laser line or the way of modeling the sensor, the probability distribution can be described as a probability density function ρ through the reflected laser point (amount of photons striking the surface of the sensor) as in Equation 4. It was recognized here that the laser point is not only ideally reflected and imaged onto an image pixel of the camera sensor due to the diffuse reflection behavior of the fiber composite material, but rather onto an environment of several individual pixels. ρ ( µ e ) = e µ y π σ k l = 0 µ y l l ! e ( µ e l n k ) 2 2 σ k 2
Figure DE102021117283A1_0008

Die Parameter ηk und σk beschreiben den Mittelwert sowie die Standardabweichung der Intensitätsverteilung auf dem k-ten Sensor-Pixel ohne Beleuchtung des k-ten Pixels. Die Variable µy beschreibt das zugrundeliegende Parametermodell, welches in der Gleichung 5 dargestellt ist.The parameters η k and σ k describe the mean value and the standard deviation of the intensity distribution on the kth sensor pixel without Illumination of the kth pixel. The variable µ y describes the underlying parameter model, which is shown in Equation 5.

Der Wert µe gibt an, wie viele Photonen auf den Sensor-Pixel im Betrachtungszeitraum eingefallen sind. Dieser Parameter µe ist somit wiederum abhängigen von den Störeinflüssen des LLSS und dem Parameter µp aus Gleichung 1. Die genannten Störeinflüsse des Sensors können vereinfacht, in Anlehnung an den EMVA 1288 Standard, für den LLSS, unter Berücksichtigung einer einzigen und konstanten Wellenlänge des Lasers in einem einzelnen Effizienz-Parameter QE zusammengefasst werden. Es gilt somit: µe = µp *QE. μ y = K ( μ e + μ d )

Figure DE102021117283A1_0009
The value µ e indicates how many photons hit the sensor pixel during the observation period. This parameter µ e is therefore in turn dependent on the interference of the LLSS and the parameter µ p from Equation 1. The interference of the sensor mentioned can be simplified, based on the EMVA 1288 standard, for the LLSS, taking into account a single and constant wavelength of the Lasers can be summarized in a single efficiency parameter QE. The following therefore applies: µ e = µ p *QE. µ y = K ( µ e + µ i.e )
Figure DE102021117283A1_0009

Der Parameter µy ist der Mittelwert des digitalen Ausganssignals, welcher die Einzelparameter des Sensormodells zusammenfasst. µd repräsentiert den Mittelwert des „schwarzen Rauschens“, also die mittlere Anzahl an Photonen, welche durch den Sensor registriert werden, wenn keine (Licht-) Strahlung auf diesen einfällt. Der Wert K ist die Verstärkung des Gesamtsystems.The parameter µ y is the mean value of the digital output signal, which summarizes the individual parameters of the sensor model. µ d represents the average of the "black noise", i.e. the average number of photons that are registered by the sensor when no (light) radiation is incident on it. The K value is the overall system gain.

Mittels der Informationen aus Gleichung 4 kann nachfolgend die für das erfindungsgemäße Verfahren vorgeschlagene Fisher-Information-Matrix (FIM) berechnet werden. Dies ist in Gleichung 6 dargestellt. I ( θ ) = k = 1 K ( μ y θ ) T ( μ y θ ) E [ (  ln ( ρ ( μ e ) ) μ y ) 2 ]

Figure DE102021117283A1_0010
Using the information from Equation 4, the Fisher Information Matrix (FIM) proposed for the method according to the invention can subsequently be calculated. This is shown in Equation 6. I ( θ ) = k = 1 K ( µ y θ ) T ( µ y θ ) E [ ( ln ( ρ ( µ e ) ) µ y ) 2 ]
Figure DE102021117283A1_0010

Der Index k beschreibt hierbei den k-ten Pixel aller zuvor betrachteten K Pixel der betrachteten Pixelumgebung. Bei den oben beschriebenen Zusammenhängen wird jeweils davon ausgegangen, dass die Rückstrahlung des Punktlasers vom Faserverbundmaterial auf der Bildebene eine Normalverteilung um einen bestimmten Auftreffpunkt ausbildet. Trotz des diffusen Streuverhaltens des Faserverbundmaterials ist diese Annahme für eine Laser-Punkt Reflexion tolerierbar, da der Durchmesser des Auftreffpunkts des Lasers vergleichsweise klein ist und die starke diffuse Streuung des Faserverbundmaterials sowieso außerhalb des Sensors bzw. des definierten Betrachtungsbereichs auftrifft. Somit führt diese strakte diffuse Streuung lediglich zur Reduktion der einfallenden Photonenmenge. Bei der Annahme einer Gleichverteilung über die Bildebene des Sensors, um einen Auftreffpunkt, führt dies zu einer sogenannten Poisson-Verteilung für die diskretisiert, pixelweise Betrachtung auf einem bildgebenden Sensorchip wie z.B. dem LLSS Kamera Sensor.The index k describes the kth pixel of all previously considered K pixels of the pixel environment considered. In the contexts described above, it is assumed in each case that the reflection of the point laser from the fiber composite material forms a normal distribution on the image plane around a specific point of impact. Despite the diffuse scattering behavior of the fiber composite material, this assumption is tolerable for a laser point reflection, since the diameter of the point of impact of the laser is comparatively small and the strong diffuse scattering of the fiber composite material impinges outside of the sensor or the defined observation area anyway. Thus, this strong diffuse scattering only leads to a reduction in the amount of incident photons. Assuming a uniform distribution over the image plane of the sensor around a point of impact, this leads to a so-called Poisson distribution for the discretized, pixel-by-pixel observation on an imaging sensor chip such as the LLSS camera sensor.

Um anschließend die maximal mögliche Qualität des Eingangssignals zu bestimmen, wird die sogenannte Cramer-Rao-Lower-Bound (CRLB) berechnet. Diese gibt eine untere Schranke für die Varianz der Schätzung von θ an. Dies ist in Gleichung 7 beschrieben. C o v ( θ ^ ) I 1 ( θ )

Figure DE102021117283A1_0011
In order to then determine the maximum possible quality of the input signal, the so-called Cramer-Rao-Lower-Bound (CRLB) is calculated. This gives a lower bound for the variance of the estimate of θ. This is described in equation 7. C O v ( θ ^ ) I 1 ( θ )
Figure DE102021117283A1_0011

Der Parametervektor θ beinhaltet hierbei alle relevanten Parameter des Inspektionssystems, welche geschätzt werden sollen. Im hier beschriebenen, konkreten Beispielfall ist θ = (A, K, t, E, QE, λ)T. Für die einzelnen Parameter ergibt sich die untere Schrank aus den diagonalen Elementen der inversen FIM. Die Verteilung dieser Parameter wird hierbei durch die Gleichung 4 beschrieben. Entsprechend des CRLB Zusammenhangs aus Gleichung 7 ist θ̂ als unabhängiger Schätzvektor zu verstehen, wobei eben der Kehrwert der FIM I des Parametervektor θ nach der CRLB Ungleichung maximal so groß werden kann wie die Varianz des Vektors θ̂. Die Cramer-Rao-Lower-Bound wird dabei für einen Parameter θi berechnet. Eine Vielzahl von Parameter θi bilden dann den Parametervektor mit wenigstens einem sensorbezogenen Parameter.The parameter vector θ contains all relevant parameters of the inspection system that are to be estimated. In the concrete example case described here, θ = (A, K, t, E, QE, λ) T . For the individual parameters, the lower cabinet results from the diagonal elements of the inverse FIM. Equation 4 describes the distribution of these parameters. According to the CRLB relationship from Equation 7, θ̂ is to be understood as an independent estimated vector, whereby the reciprocal value of the FIM I of the parameter vector θ according to the CRLB inequality can at most become as large as the variance of the vector θ̂. The Cramer-Rao lower bound is calculated for a parameter θ i . A large number of parameters θ i then form the parameter vector with at least one sensor-related parameter.

Dies beschreibt somit die maximale, nach dem zugrundeliegenden mathematischen Model des LLSS und des rückgestrahlten Laserlichts, mögliche Daten-/ Informationsqualität. Es ist somit möglich die maximale Leistungsfähigkeit eines Inspektionssystems, anhand der mathematisch bestmöglichen Eingangsinformationen, anzunähern bzw. zu bestimmen. Somit kann frühzeitig gezeigt werden, ob ein entsprechender optischer Sensor für die Inspektion eines bestimmten, gegebenen Fasermaterials geeignet ist. Ist ein Sensor geeignet, so kann anhand der Mehrleistung bzw. des zur Verfügung stehenden „Puffers“ bestimmt werden wie gut bzw. wie aufwändig die einstellbaren Sensorparameter optimiert werden müssen, um die gewünschte Signalgüte zu erreichen.This therefore describes the maximum possible data/information quality according to the underlying mathematical model of the LLSS and the reflected laser light. It is thus possible to approximate or determine the maximum performance of an inspection system using the mathematically best possible input information. It can thus be shown at an early stage whether a corresponding optical sensor is suitable for the inspection of a specific, given fiber material. If a sensor is suitable, it can be determined on the basis of the additional power or the available "buffer" how well or how complex the adjustable sensor parameters have to be optimized in order to achieve the desired signal quality.

BezugszeichenlisteReference List

11
Ablegekopflaying head
22
Anpressrollepinch roller
33
Faserhalbzeugfiber semi-finished product
44
Werkzeugoberflächetool surface
55
LaserlichtschnittsensorLaser light section sensor
66
Laserlichtquellelaser light source
77
Laserlichtlinielaser light line
88th
Kameracamera
99
Bildauswerteeinheitimage evaluation unit
9a9a
DatenbankDatabase
1010
Messvorrichtungmeasuring device
1111
Punktlasersensorpoint laser sensor
1212
Punktlaserpoint laser
1313
Laserspotlaser spot
1414
Kameracamera
1515
Auswerteeinheitevaluation unit
100100
Datenverarbeitungsanlagedata processing system
110110
Materialmodellmaterial model
120120
digitales Sensormodelldigital sensor model
130130
Wahrscheinlichkeitsverteilungprobability distribution
140140
Schätzung des bestmöglichen ParameterwertesEstimation of the best possible parameter value
150150
Sensorgütesensor quality

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Claims (15)

Verfahren zum Bestimmen der Sensorgüte (150) eines optischen Sensorsystems in Bezug auf ein Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes aufweisend das Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das optische Sensorsystem zum Erfassen einer durch das Fasermaterial gebildeten Fasermaterialoberfläche und zum Erstellen eines Tiefenbildes basierend auf der erfassten Fasermaterialoberfläche ausgebildet ist, mit den Schritten: - Bereitstellen eines digitalen Materialmodells (110) des Fasermaterials in einer Recheneinheit, wobei das Materialmodell (110) ein optisches Reflexionsverhalten des Fasermaterials durch wenigstens einen reflexionsbezogenen Parameter beschreibt; - Initialisieren eines digitalen Sensormodells des optischen Sensorsystems in Abhängigkeit von wenigstens einem sensorbezogenen Parameter des optischen Sensorsystems und den durch das bereitgestellte Materialmodell (110) - modellierten reflexionsbezogenen Parameter des Fasermaterials durch die Recheneinheit; - Berechnen einer Wahrscheinlichkeitsverteilung (130) mittels einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für wenigstens einen Parameter des das optische Sensorsystem beschreibenden digitalen Sensormodells durch die Recheneinheit; - Berechnen einer Schätzung eines bestmöglichen Parameterwertes (140) für mindestens einen Parameter, für den eine Wahrscheinlichkeitsverteilung (130) berechnet wurde, in Abhängigkeit von der berechneten Wahrscheinlichkeitsverteilung (130) und einer Informationsungleichung durch die Recheneinheit; - Bestimmen der Sensorgüte (150) des optischen Sensorsystems in Abhängigkeit von wenigstens einer berechneten Schätzung des bestmöglichen Parameterwertes (140) durch die Recheneinheit.Method for determining the sensor quality (150) of an optical sensor system in relation to a fiber material of a fiber composite material comprising the fiber material and a matrix material embedding the fiber material, the optical sensor system for detecting a fiber material surface formed by the fiber material and for creating a depth image based on the detected fiber material surface is trained, with the steps: - Providing a digital material model (110) of the fiber material in a computing unit, wherein the material model (110) describes an optical reflection behavior of the fiber material by at least one reflection-related parameter; - Initializing a digital sensor model of the optical sensor system as a function of at least one sensor-related parameter of the optical sensor system and the material model provided by the material model (110) - modeled reflection-related parameters of the fiber material by the computing unit; - calculation of a probability distribution (130) by means of a probability density function for at least one parameter of the optical sensor system describing digital sensor model by the computing unit; - calculating an estimate of a best possible parameter value (140) for at least one parameter for which a probability distribution (130) was calculated, depending on the calculated probability distribution (130) and an information inequality by the computing unit; - Determining the sensor quality (150) of the optical sensor system as a function of at least one calculated estimate of the best possible parameter value (140) by the computing unit. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Sensorsystem ein Laserlichtschnittsensor (5) ist, bei dem mittels eines Linienlasers des optischen Sensorsystems eine Laserline auf die Fasermaterialoberfläche projiziert, diese projizierte Laserlinie mittels eines optischen Sensors des optischen Sensorsystems erfasst und mittels einer Verarbeitungseinheit in Abhängigkeit von der erfassten Laserlinie ein Tiefenbild der Fasermaterialoberfläche erstellt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the optical sensor system is a laser light section sensor (5), in which a line laser of the optical sensor system projects a laser line onto the fiber material surface, this projected laser line is detected by means of an optical sensor of the optical sensor system and by means of a processing unit depending on the detected Laser line creates a depth image of the fiber material surface. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Sensormodell des optischen Sensorsystems in Abhängigkeit von wenigstens einem sensorbezogenen optischen Eingangsparameter des optischen Sensorsystems, wenigstens einem sensorbezogenen Verarbeitungsparameter des optischen Sensorsystems und/oder wenigstens einem sensorbezogenen Ausgangsparameter des optischen Sensorsystems durch die Recheneinheit initialisiert wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the digital sensor model of the optical sensor system is initialized by the computing unit as a function of at least one sensor-related optical input parameter of the optical sensor system, at least one sensor-related processing parameter of the optical sensor system and/or at least one sensor-related output parameter of the optical sensor system. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine geometrische Abmessung (A) eines optischen Sensorpixels des optischen Sensorsystems, eine Bestrahlungsstärke (E) der Rückreflektion von der Fasermaterialoberfläche, eine Belichtungszeit (t), eine Wellenlänge (λ) einer auf die Fasermaterialoberfläche projizierten Lichtprojektion und/oder eine mittlere Anzahl in das optische Sensorsystem einfallender Photonen (µp) als sensorbezogener Parameter für die Initialisierung des digitalen Sensormodells verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a geometric dimension (A) of an optical sensor pixel of the optical sensor system, an irradiance (E) of the back reflection from the fiber material surface, an exposure time (t), a wavelength (λ) on the fiber material surface projected light projection and/or an average number of photons (μ p ) incident in the optical sensor system is used as a sensor-related parameter for the initialization of the digital sensor model. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Anzahl in das optische Sensorsystem einfallender Photonen (µp) wie folgt berechnet wird: μ p = A   E   t   λ h   c
Figure DE102021117283A1_0012
mit A als geometrische Abmessung eines optischen Sensorpixels, E als Bestrahlungsstärke der Rückreflexion von der Fasermaterialoberfläche, t als Belichtungszeit, λ als Wellenlänge einer auf die Fasermaterialoberfläche projizierten Lichtprojektion, h als das Plank'sche Wirkungsquantum und c als die Lichtgeschwindigkeit.
procedure after claim 4 , characterized in that the average number of photons (µ p ) incident on the optical sensor system is calculated as follows: µ p = A E t λ H c
Figure DE102021117283A1_0012
where A is the geometric dimension of an optical sensor pixel, E is the irradiance of the back reflection from the fiber material surface, t is the exposure time, λ is the wavelength of a light projection projected onto the fiber material surface, h is the Plank constant and c is the speed of light.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als digitales Sensormodell (120) das EMVA 1288 Sensormodell verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the EMVA 1288 sensor model is used as the digital sensor model (120). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fisher-Information als Wahrscheinlichkeitsdichte und die Fisher-Information-Matrix als Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the Fisher information is used as the probability density function and the Fisher information matrix is used as the probability density function. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fisher-Information-Matrix wie folgt berechnet wird: I ( θ ) = k = 1 K ( μ y θ ) T ( μ y θ ) E [ (  ln ( ρ ( μ e ) ) μ y ) 2 ]
Figure DE102021117283A1_0013
mit 8 als Parametervektor mit wenigstens einem sensorbezogenen Parameter, k als Index des k-ten Pixel aller zuvor betrachteten K Pixel der betrachteten Pixelumgebung des optischen Sensorsystems, µy als Mittelwert des digitalen Ausgangssignals des optischen Sensorsystems, µe als die Anzahl von in das optischen Sensorsystem einfallender Photonen im Betrachtungszeitraum und E als Erwartungswert, wobei das zugrundeliegende Parametermodell wie folgt beschrieben ist: μ y = K ( μ e + μ d )
Figure DE102021117283A1_0014
mit µe als die Anzahl von in das optischen Sensorsystem einfallender Photonen im Betrachtungszeitraum, µd als Mittelwert des schwarzen Rauschens und K als Verstärkungsfaktor des Signals.
procedure after claim 7 , characterized in that the Fisher information matrix is calculated as follows: I ( θ ) = k = 1 K ( µ y θ ) T ( µ y θ ) E [ ( ln ( ρ ( µ e ) ) µ y ) 2 ]
Figure DE102021117283A1_0013
with 8 as a parameter vector with at least one sensor-related parameter, k as the index of the k-th pixel of all previously considered K pixels of the considered pixel environment of the optical sensor system, µ y as the mean value of the digital output signal of the optical sensor system, µ e as the number of in the optical Sensor system of incident photons in the observation period and E as expected value, where the underlying parameter model is described as follows: µ y = K ( µ e + µ i.e )
Figure DE102021117283A1_0014
with µ e as the number of incident photons in the optical sensor system in the observation period, µ d as the mean value of the black noise and K as the amplification factor of the signal.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schätzung eines bestmöglichen Parameterwertes (140) für wenigstens einen Parameter die Cramer-Rao-Lower-Bound berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the Cramer-Rao lower bound is calculated for the estimation of the best possible parameter value (140) for at least one parameter. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Cramer-Rao-Lower-Bound für einen Parameter wie folgt berechnet wird: C o v ( θ ^ ) I 1 ( θ )
Figure DE102021117283A1_0015
mit 8 als Parametervektor mit wenigstens einem sensorbezogenen Parameter.
procedure after claim 9 , characterized in that the Cramer-Rao lower bound for a parameter is calculated as follows: C O v ( θ ^ ) I 1 ( θ )
Figure DE102021117283A1_0015
with 8 as a parameter vector with at least one sensor-related parameter.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Materialmodell (110) als reflexionsbezogenen Parameter eine Intensitätsverteilung der von der Fasermaterialoberfläche reflektierten Strahlung ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the digital material model (110) is an intensity distribution of the radiation reflected by the fiber material surface as a reflection-related parameter. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung über eine 2D Normalverteilungsfunktion modelliert wird.procedure after claim 11 , characterized in that the intensity distribution is modeled using a 2D normal distribution function. Computerprogramm mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage (100) ausgeführt wird.Computer program with program code means set up to carry out the method according to one of Claims 1 until 12 when the computer program is executed on a data processing system (100). Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes aufweisend das Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial auf eine Werkzeugoberfläche (4), wobei mittels eines optischen Sensorsystems eine Fasermaterialoberfläche des abgelegten Fasermaterials erfasst, ein Tiefenbild basierend auf der erfassten Fasermaterialoberfläche erstellt und Fehlstellen an dem abgelegten Fasermaterial in Abhängigkeit von dem erstellten Tiefenbild detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorgüte (150) des optischen Sensorsystem in Bezug auf das verwendete Fasermaterial gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bestimmt wird.Method for depositing fiber material of a fiber composite material, comprising the fiber material and a matrix material embedding the fiber material on a tool surface (4), wherein a fiber material surface of the deposited fiber material is detected by means of an optical sensor system, a depth image is created based on the detected fiber material surface and defects in the deposited fiber material are detected Depending on the created depth image are detected, characterized in that the sensor quality (150) of the optical sensor system in relation to the fiber material used according to the method according to one of Claims 1 until 12 is determined. Anlage zum Ablegen von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes aufweisend das Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial auf eine Werkzeugoberfläche (4), wobei die Anlage ein optisches Sensorsystem hat, das zum Erfassen einer durch das Fasermaterial gebildeten Fasermaterialoberfläche und zum Erstellen eines Tiefenbildes basierend auf der erfassten Fasermaterialoberfläche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Datenverarbeitungsanlage (100) zur Bestimmung der Sensorgüte (150) des optischen Sensorsystem hat, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist.Plant for depositing fiber material of a fiber composite material comprising the fiber material and a matrix material embedding the fiber material on a tool surface (4), the plant having an optical sensor system which is used to detect a fiber material surface formed by the fiber material and to create a depth image based on the detected fiber material surface is formed, characterized in that the system has a data processing system (100) for determining the sensor quality (150) of the optical sensor system, which is used to carry out the method according to one of Claims 1 until 12 is set up.
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