Development of a pressure sensitive smart roller for thermoplastic Automated Fiber Placement (Masterarbeit)

Abstract

Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen spielt in der Luftfahrtindustrie eine zunehmend wichtige Rolle, stellt jedoch Herausforderungen an die Verbindungstechnik und das Recycling. Eine Alternative zu den herkömmlichen duromeren Verbundwerkstoffen ist der Einsatz von thermoplastischen Kunststoffen in Kombination mit Fasermaterialien. Diese ermöglichen durch wiederaufschmelzen nicht nur das Fügen durch Schweißverbindungen, sondern auch eine bessere Recyclingfähigkeit. In dieser Arbeit wird der Fertigungsprozess des Automated Fibre Placement mit einem thermoplastischen Werkstoffmix aus Polyetheretherketon und Kohlefaser untersucht. Bei diesem Verfahren werden die Kunststoff-Tapes mit Hilfe eines Roboterkopfes über eine Konsolidierungsrolle auf ein Werkzeug aufgebracht. Ein Laser erwärmt das Tape auf Schmelztemperatur, woraufhin die Konsolidierungsrolle das Material auf das Werkzeug presst. Im Vergleich zu duromeren Werkstoffen entstehen dabei deutlich höhere Temperaturen. Ein Vorteil des thermoplastischen Verfahrens besteht darin, dass unter bestimmten Voraussetzungen auf eine Nachkonsolidierung im Autoklaven verzichtet werden kann, sofern das Bauteil in ausreichend hoher Fertigungsqualität hergestellt wurde. Entscheidend hierfür ist, dass Parameter wie Lasertemperatur, Konsolidierungsdruck und Prozesszeit genau eingestellt werden können. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer intelligenten Konsolidierungsrolle (Smart Roller), das den Konsolidierungsdruck in Echtzeit überwachen kann. In Zusammenarbeit mit dem Composite Research Network an der University of British Columbia, das bereits Erfahrung mit einer solchen Smart Roller Technologie für Duromer-Anwendungen hat, wird eine Machbarkeitsstudie durchgeführt und ein Prototyp entwickelt. Das derzeitige Konzept des Smart Roller besteht aus einem kapazitiven Sensor, der aus zwei leitfähigen Schichten besteht, die durch eine isolierende Silikonschicht getrennt sind. Diese Sensorschicht ist in ein Gehäuse aus Polylactide eingebettet, das eine Batterie und einen Bluetooth-Sender zur Datenübertragung an einen Computer enthält. Um entsprechende Konzepte zu entwickeln, werden zunächst die mechanischen und thermischen Belastungen auf die Konsolidierungsrolle analysiert. Insbesondere die thermischen Belastungen stellen eine Herausforderung dar. Um den Einfluss der Temperatur auf die Komponenten des Smart Rollers zu untersuchen, werden thermische Simulationen mit der Software Abaqus durchgeführt. Diese Simulationen geben Aufschluss über die Temperaturverteilung innerhalb der verschiedenen Schichten und ermöglichen die Identifikation temperaturkritischer Bereiche. Für diese Schichten werden Lösungen zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit entwickelt. Aufgrund des Umfangs der Arbeit können einige Probleme nur theoretisch behandelt werden. Dennoch wird ein funktionsfähiger Prototyp entwickelt, der jedoch nicht dauerhaft thermisch belastbar ist. Abschließend wird dieser Prototyp auf seine Funktionalität und Eignung für den Einsatz im Produktionsprozess getestet