Untersuchungen zur Widerstandserwärmung von Carbonfaser-Tapes beim Automated Fiber Placement

Kurzfassung

Das Automated Fiber Placement-Verfahren (AFP) ist eines der am häufigsten verwendeten Fertigungsverfahren für die automatisierte Herstellung von Bauteilen carbonfaserverstärkten Kunststoffen. Ein Roboter platziert dabei Carbonfaser-Halbzeuge auf einer Bauteiloberfläche, wobei das Halbzeug unmittelbar vor dem Ablegen erhitzt wird. Für das Aufheizen sind Laser , Infrarotstrahler oder vergleichbare strahlungsbasierte Technologien Stand der Technik. Das in dieser Arbeit erforschte direkte Widerstandserwärmen der elektrisch leitfähigen Carbonfasern verspricht eine signifikant höhere Produktivität und Energieeffizienz bei geringeren Investitionskosten. Diese Arbeit untersucht die Anwendbarkeit der Technologie beim AFP-Verfahren, wobei drei zentrale Forschungsfragen im Fokus stehen: - Welche technologie- und verfahrensspezifischen Parameter sind relevant? - Unter welchen Voraussetzungen ist die Prozesstemperatur ausreichend genau vorhersagbar? - Welche Auswirkungen hat die Technologie auf den Fertigungsprozess und die verarbeiteten Materialien? Für die Analyse der elektrischen Prozessparameter kommt eine eigens entwickelte Steuerung zum Einsatz, die ein exaktes Auslösen von Strompulsen im Mikrosekundenbereich erlaubt. Nur so ist es möglich, beim Bestromen der Halbzeuge den Einfluss sehr hoher Spannungen und Ströme zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen beeindruckend, wie wichtig die angelegte Spannung beim Widerstandsheizen von Carbonfasern ist. Hochspannungspulse, die zu Heizraten über 100 000 K/s führen, reduzieren den ohnehin geringen Energieverbrauch weiter und erlauben Prozessgeschwindigkeiten, die weit über das maximale Potenzial heutiger Fertigungsanlagen geht. Um die Prozesstemperatur bei so hohen Geschwindigkeiten kontrollieren zu können, bedarf es neuer Ansätze. Eine Simulation, die die elektrischen und thermischen Eigenschaften der Halbzeuge berücksichtigt, zeigt auf, wo genau die Herausforderungen liegen. Für die Validierung des Modells sind neben den elektrischen auch die thermischen Eigenschaften der Halbzeuge zu bestimmen. Die hierfür entwickelten Verfahren überzeugen durch die einfache Umsetzbarkeit und können daher zukünftig eine breitere Anwendung finden. Den Abschluss der Untersuchungen bilden Fertigungstests. Hauptziel dabei ist, die Einflüsse der Technologie auf die mechanischen Kennwerte von Bauteilen zu überprüfen. Hierfür kommt ein eigens entwickelter AFP-Endeffektor zum Einsatz. Dieser legt vollautomatisch Preformen ab, aus denen anschließend Prüfplatten bzw. Prüfkörper hergestellt werden. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass potenzielle Schädigungen durch das hochintensive elektrische Heizen bei robuster Prozessierung vernachlässigbar sind. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse demonstrieren die enormen Vorteile der Technologie des Widerstandsheizens. Darüber hinaus schaffen sie eine zuverlässige Basis für die gezielte Industrialisierung und Weiterentwicklung.