Fertigungssimulation des Tapelegeprozesses mit in-situ Konsolidierung von faserverstärkten thermoplastischen Tapes

Abstract

Das automatische Ablegen und In-Situ-Konsolidieren von faserverstärkten thermoplastischen Tapes ist ein effizienter und schneller Prozess zur Fertigung großer und komplex geformter thermoplastischer Faserver-bundbauteile. Das dafür erforderliche lokale und inhomogene Aufheizen der Tapes durch punktuelle Wär-mequellen wie zum Beispiel Laser kann jedoch zu internen Spannungen und Verformungen führen, die durch die Teilkristallinität einiger Werkstoffe wie zum Beispiel PEEK noch verstärkt werden. Um diese negativen Einflüsse auf die finale Bauteilgeometrie zu minimieren und Bauteile mit akzeptablen Toleranzen zu fertigen, ist entweder eine Nachkonsolidierung in einem Autoklaven, Ofen oder einer Heizpresse erforderlich, oder die Fertigungsparameter und Werkzeuge müssen auf minimale Deformation optimiert werden. Diese Optimierung erfordert nach dem Stand der Technik langwierige Versuchsreihen, die wiederum die Kosten für die Fertigung erhöhen. Alternativ können die erforderlichen Parameter mit Fertigungssimulationen ermittelt werden. Für diese Simulationen sind einerseits komplexe Modelle erforderlich, die sämtliche dynamischen und inhomogenen Randbedingungen detailgetreu abbilden. Andererseits muss das Materialmodell thermo-chemische Modelle wie Kristallisierung, Schmelzen und Erstarren korrekt wiedergeben. Am deutschen Zent-rum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart wird an der Automatisierung der Simulationen mit Hilfe von Materialmodellen der Firma Convergent gearbeitet. Ziel der Arbeit ist ein vollständiger digitaler Zwilling be-liebiger Tapelegebauteile. Mit der in diesem Paper beschriebenen automatisierten Simulation können über die Variation einfacher Geometrieparameter automatische Optimierungen am Prozess und Werkzeug durch-geführt werden. Die Ergebnisse werden mit Versuchen an einer Tapelege-Anlage verifiziert.