Weiterentwicklung des automatisierten Tapelegens mittels neuartiger Konzepte der Konsolidierungsrolle mit Hilfe von simulativen und experimentellen Methoden (Masterarbeit)

Abstract

Faserverbundwerkstoffe stellen aufgrund ihres großen Leichtbaupotentials eine Schlüsseltechnologie in der Luftfahrtbranche dar, um den steigenden Anforderungen an effizientere Flugzeuge gerecht zu werden. Der Herstellungsprozess von Faserverbunden ist jedoch oft an lange und aufwendige Autoklavprozesse gebunden. Dies bedeutet lange Zykluszeiten und hohe Kosten. Das in-situ Automated Fibre Placement (AFP) Verfahren ermöglicht die Konsolidierung von thermoplastischen Faserverbund-Halbzeugen in einem autoklavfreien Prozess. Ein wichtiger Bestandteil des Prozesses ist die Konsolidierungsrolle. Sie erzeugt den, für die Konsolidierung notwendigen Anpressdruck auf das Tape und beeinflusst damit maßgeblich die Bauteilqualität. Das Ablegen auf gekrümmten Oberflächen stellt besondere Anforderungen an die Verformung und Anpassbarkeit der Konsolidierungsrolle dar. Aktuelle Lösungen kommen dabei schnell an ihre Grenzen. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit der Erstellung neuartiger Konzepte für Konsolidierungsrollen. Dabei wurden in dieser Arbeit sowohl simulative als auch experimentellen Methoden verwendet. In den Ergebnissen wurde deutlich, dass ein enger Zusammenhang zwischen steigendem Anpressdruck und abnehmender Dicke des Silikonmantels der Rolle besteht. So ist der Anpressdruck bei einer Rolle mit 10 mm Manteldicke um das 1,5-fache so groß, wie bei einer Rolle mit 25 mm Manteldicke. Ein 5 mm Mantel erzeugt mehr als doppelt so hohe Anpressdrücke wie ein 25 mm Mantel. Silikone mit einer Shore A Härte 60 erzeugen zusätzlich, unabhängig der Manteldicke, um ca. 20% - 30% höhere Anpressdrücke als Silikone mit einer Shore A Härte 45. Weiter wurde festgestellt, dass die Gleichmäßigkeit der Druckverteilung auf dem Tape kaum durch die Manteldicke beeinflusst wird. Die Gleichmäßigkeit über die gesamte Breite der Rolle nimmt jedoch mit steigender Manteldicke deutlich zu. In dynamischen Versuchen zeigte der 5 mm Mantel aus weichem Material (Shore A 45) starke Ablösungen von der Felge in Bewegungsrichtung. Zudem konnte in Simulationen und Experimenten gezeigt werden, dass Geometrieänderungen abweichend von einem reinen Vollmaterialmantel die Gleichmäßigkeit der Druckverteilung zum Teil erheblich reduzieren und deshalb nicht zu empfehlen sind.