Produktionsorientiertes Toleranzmanagement für Faserverbundbauteile

Kurzfassung

Die Herstellung hochwertiger und hochbelasteter Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen stellt komplexe Ansprüche an die Produktion. Bedingt durch das urformende Verfahren haben Prozessparameter und Störfaktoren einen deutlichen Einfluss auf die Qualität und Geometrie des finalen Produktes. Zielsetzung des Produktionsprozesses ist daher die exakte Einhaltung aller Anforderungen aus Design und Entwurf bei möglichst kosteneffizienter Umsetzung. Die Abstimmung zwischen Auslegung und Produktion erfolgt durch das Toleranzmanagement. Seine Aufgabe ist die Bereitstellung der notwendigen und umfassenden geometrischen und prozesstechnischen Vorgaben für den jeweiligen Anwendungsfall. Da die Herstellungsprozesse für verschiedene Industriegüter große Unterschiede aufweisen, wird zur Umsetzung eines funktionierenden Toleranzmanagements ein, auf die Bedürfnisse des betrachteten Prozesses, angepasstes, individuelles Konzept benötigt. Insbesondere die Toleranzmodellierung, als Kernelement der Toleranzanalyse und ‐optimierung, ist eng mit den eingesetzten Werkstoffen, der Bauteilstruktur und den gewählten Herstellungsprozessen verknüpft. Im Falle von Faserverbundwerkstoffen umfasst die Toleranzkette die Abbildung und Verknüpfung von chemischen, physikalischen und mechanischen Vorgängen. Aufgrund der auftretenden hohen Streuungen erfolgt die Toleranzmodellierung und ‐optimierung auf Basis statistischer Produktionsmesswerte und probabilistischer Methoden. In Verbindung mit den Fertigungsrandbedingungen ergibt sich ein Produktionsorientiertes Toleranzmanagement (PTM). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein entsprechendes Konzept mit zugehörigem Vorgehen erarbeitet. Im Zentrum stehen dabei die Schritte Identifikation der Schlüsselcharakteristik, Parameterrecherche, Impact‐Analyse, Toleranzmodellierung, Optimierung und Verifizierung. Es werden bekannte Methoden aus den Bereichen Qualitätssicherung, Prozesssimulation und probabilistischer Prozessoptimierung kombiniert und hinsichtlich der Produktionsorientierung angepasst. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf die Herstellung dickwandiger Laminate in einseitig beheizten, offenen Werkzeugformen. Beispiel ist der Produktionsprozess von Rotorblättern für Windenergieanlagen. Zielsetzung der Anwendung des Produktionsorientierten Toleranzmanagements ist die Reduktion der Fertigungsabweichungen durch Optimierung der Prozessparameter. Zur Umsetzung werden Toleranzmodellierungsmodule zur Vorhersage des Faservolumengehaltes, der Prozesstemperatur und der prozessinduzierten Abweichungen entwickelt. Die Anwendung erfolgt in der Modellierung der Toleranzkette mit der Schlüsselcharakteristik „Abweichung der Blindverklebung eines Rotorblattes für Windenergieanlagen“. Der Aufbau der Toleranzkette erfolgt unter den Randbedingungen eines industriellen Herstellungsprozesses unter Einbeziehung statistischer Produktionsmessdaten. Über die Durchführung von virtuellen Experimenten wird die Toleranzkette verifiziert. Ergebnis der anschließenden Optimierung ist die reproduzierbare Einstellung des, über Metamodelle optimierten, Faservolumengehaltes mit angepassten Prozessparametern. Damit zeigt die Arbeit die Eignung eines Produktionsorientierten Toleranzmanagements für die kosteneffiziente Verbesserung von komplexen Herstellungsprozessen.