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2022 | Buch

Kombination von Automated Fibre Placement und Additive Layer Manufacturing

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Über dieses Buch

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden zwei additiven Fertigungsverfahren, Automated Fiber Placement (AFP) und Additive Layer Manufacturing (ALM) unter Verwendung thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe kombiniert. Weiterhin kommt künstliche Intelligenz zur Optimierung und Minimierung der Fehler im Fertigungsprozess zum Einsatz. Durch die Kombination dieser drei Methoden in einem automatisierten Fertigungsprozess lassen sich leichtere und kostengünstigere Faserverbundbauteile in homogeneren Serien herstellen. Endlosfasern wie Kohlenstofffasern können durch ihre mechanischen Eigenschaften die Leistung dieser Methoden signifikant erhöhen

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Angesichts ihres großen Innovationspotenzials etabliert sich die Faserverbundbauweise in vielen technischen Produkten vor allem im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Windkraftindustrie immer mehr. Ihre Verbreitung wird durch neue, automatisierte Verarbeitungstechniken wie das Automated Fibre Placement (AFP) oder das Automated Tape Laying (ATL) befördert. Diese Fertigungsverfahren haben bei komplexen Geometrien Defizite in Form von Ablagelücken (gaps) oder Überlappungen (overlaps). Mithilfe von Additiver Fertigung (3D-Druck) müssten sich diese Fertigungsdefizite verkleinern lassen. Die 3D-Drucktechnologien ermöglichen nicht nur die Herstellung kostengünstiger Bauteile in kleiner Stückzahl, sondern auch die von komplexen und individuellen Geometrien. Eine Kombination der beiden Fertigungstechnologien verspricht, gleichzeitig ihre Vorteile zu nutzen und ihre Defizite zu verringern.
Mohammad Bahar
Kapitel 2. Wissensstand zur Kombination von Automated Fiber Placement (AFP) und Additive Layer Manufacturing (ALM)
Zusammenfassung
AFP ist seit mehr als dreißig Jahren als Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe in der Industrie etabliert [54]. Dieses Herstellungsverfahren wird noch nicht in großen Serien eingesetzt, sondern häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie für große Bauteile wie Flugzeugrümpfe oder -nasen. Seit einigen Jahren versuchen Wissenschaftler, die Vorteile dieses Verfahrens zu erweitern und die Nachteile so weit wie möglich zu minimieren. Daher lässt sich dieses Verfahren als ein hochwertiger Fertigungsprozess mit hoher Wiederholungsnauigkeit bezeichnen. Ablegeeffekte wie Lücken, Überlappungen oder die Ablage auf Winkeln sind nach wie vor die größten Herausforderungen dieser Methode [41]. Lücken reduzieren beispielsweise die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Bauteils und führen zu höherem Materialverbrauch, zusätzlichem Gewicht und lokaler Verdickung. Eine Studie der AIAA hat gezeigt, dass eine Lücke von 0,76 mm die Druckfestigkeit des Laminats um bis zu 27 % reduzieren kann [69]. Bisher wird das AFP-Verfahren hauptsächlich bei duroplastischen Materialien eingesetzt. Das Potenzial dieses Verfahrens kann durch die Kombination von AFP und ALM weiter verbessert werden. Wobei ALM häufig bei thermoplastischen Materialien eingesetzt wird.
Mohammad Bahar
Kapitel 3. Methodische Prozessanalyse der Kombination von AFP und ALM
Zusammenfassung
Beim Thermoplast-Tapelegen (Abb.  3.1) können mehrere schmale, vorimprägnierte, im Querschnitt rechteckige Tapes parallel auf einer Werkzeugoberfläche oder auf den vorherigen Lagen abgelegt werden. Das Prepreg-Material wird mithilfe des Vorschubsystems unter kontrollierter Tapespannung abgezogen. Das abgezogene Tape wird bis zum Konsolidierungssystem transportiert und bei Bedarf transversal zugeschnitten. Kurz vor dem Ablegen wird das Prepreg über seine Schmelztemperatur aufgeheizt, um eine Haftung auf dem Werkzeug zu gewährleisten. Mittels der Roboterbewegung wird das Tape abgelegt. Der Roboter und alle Sensoren und Aktoren des Ablegekopfs können durch eine CNC/SPS gesteuert werden.
Mohammad Bahar
Kapitel 4. Konzeptentwicklung für den Tapelegekopf und den 3D-Druckkopf
Zusammenfassung
Ziel dieses Kapitels ist die konzeptionelle und methodische Entwicklung eines Tapelegekopfs unter Berücksichtigung der allgemeinen und spezifischen Anforderungen aus Tab. A.1 s. Anhang. Die Anforderungsliste wird zunächst verfeinert, um aus den Anforderungen Teillösungen für die unterschiedlichen Vorgaben abzuleiten. Zentral für die Aufstellung dieser Anforderungen sind die wissenschaftlichen Erkenntnisse, die sich aus dem Stand der Technik (s. Kap. 2) ergeben. Der Entwicklungsprozess des Tapelegekopfs. Aufgrund der hohen Komplexität erfolgt der Entwicklungsprozess des Tapelegekopfs auf Basis der systematischen und methodischen Prinzipien der VDI-Richtlinien 2221 und 2225 [31, 65]. Verschiedene Elemente werden anhand der Anforderungsliste und des morphologischen Kastens miteinander verglichen und durch einen Bewertungsprozess werden die entsprechenden Elemente für weitere Schritte festgelegt.
Mohammad Bahar
Kapitel 5. Realisierung und Integration des Tapelegekopfs und des 3D-Druckkopfs
Zusammenfassung
Das vorausgegangene Kapitel enthält die methodischen und theoretischen Grundlagen zur Realisierung einer AFP/ALM-Anlage. Das vorliegende Kapitel widmet sich der Realisierung des Gesamtsystems mithilfe von verschiedenen Mechanismen, Aktoren und Sensoren. Der gesamte Entwicklungsprozess basiert auf den systematischen und methodischen Grundlagen der VDI-Richtlinien 2221 und 2225.
Mohammad Bahar
Kapitel 6. Steuerung und Regelung des Tapelegekopfs mit integriertem 3D-Druckkopf an einem sechsachsigen Roboter
Zusammenfassung
Zur Herstellung eines qualitativ hochwertigen Laminats sollten alle Sensoren und Aktoren bzw. Einzeleinheiten in einem zuverlässigen Netzwerk miteinander kommunizieren
Mohammad Bahar
Kapitel 7. AFP/ALM-Prozesse auf doppelt gekrümmten Oberflächen
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt den gesamten Herstellungsprozess von AFP/ALM und die für einen erfolgreichen Betrieb notwendigen Schritte. Bei entsprechendem Zusammenspiel aller Schritte kann ein hochwertiger Faserverbundwerkstoff entstehen. Aus diesem Grund werden alle Abläufe der einzelnen Schritte ausführlich beschrieben.
Mohammad Bahar
Kapitel 8. Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit waren die Vorteile endlosfaserverstärkter thermoplastischer Faserverbundbauteile und die diesbezüglich steigende Nachfrage in vielen Industriebereichen, die durch die Herstellung in einem automatisierten Prozess zusätzlich befeuert wird.
Mohammad Bahar
Backmatter
Metadaten
Titel
Kombination von Automated Fibre Placement und Additive Layer Manufacturing
verfasst von
Mohammad Bahar
Copyright-Jahr
2022
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-66127-7
Print ISBN
978-3-662-66126-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-66127-7

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