Experiment-basierte Prozessgestaltung als Schlüssel zum bezahlbaren Leichtbau

Abstract

Im Fokus der Fahrzeugindustrie liegen Bauteile, die ein hohes Maß an Wirtschaftlichkeit und Qua-lität mit sich bringen. Dies gilt auch für die Gruppe der Faserverbundbauteile. Bei der aktuellen Fertigung handelt es sich aber eher um eine erfahrungsbasierte Fertigung. Ziel ist jedoch eine effi-ziente Serienfertigung durch eine objektive Prozessbetrachtung. Für Stückzahlen von bis zu 100.000Teilen pro Jahr bringt das closed-mould RTM-Verfahren das höchste Potential für eine industrielle CFK-Fertigung mit sich. Neben dem hohen Grad an Automa-tisierung ist gleichzeitig eine hohe Bauteilgüte erreichbar. Zur Generierung eines kosteneffizienten, also robusten, beschleunigten und qualitätsgetriebenen, Fertigungsprozesses werden immer häufiger Prozesssimulationen verwendet. Diese greifen auf vom Anwender bereitgestellte Input-Daten, wie Bauteilgeometrie, Materialkennwerte und Soll-Prozessparameter zurück und simulieren ein mögliches Prozessszenario. Die Input-Daten stellen dabei die (fixen) Einflussgrößen der Simulation dar, auf deren Basis im Anschluss der Fertigungs-prozess bzw. die resultierende Bauteilqualität auf seine Schwachstellen und kritischen Prozessgrößen analysiert wird. Hierbei handelt es sich jedoch teils um Annahmen, die lediglich einen idealisierten Prozess abbilden. Phänomene innerhalb der Fertigung, welche durch eine Änderung der Einflussgrößen selbst, deren Schwankungen und Wechselwirkung hervorgerufen werden, finden nur indirekt Berücksichtigung. Für eine möglichst aussagekräftige Vorhersage mittels virtueller Methoden ist es erforderlich den Anwendungsfall wirklichkeitsnah abzubilden. Die Herausforderung liegt also in der Bereitstellung praxisbezogener und experimentell validierter Input-Daten. Eine Lösung zur Bereitstellung dieser Daten liefert die vom DLR entwickelte „Process-induced Distortion Replication“-Anlage - kurz „PiDiR“. Unter reproduzierbaren Prozessrandbedingungen erfolgt die Betrachtung und Variation verschiedenster Prozess- und Materialparameter des Anwen-dungsfalles auf Coupon-Level. Neben einer statistischen Absicherung der Versuche werden kontinuierlich direkte (Aushärtegrad, Fließfront) und indirekte (Temperatur, Druck, Energiever-brauch) Einflussgrößen, z.B.: mit Ultraschallsensoren erfasst und ausgewertet. Zu jedem Zeitpunkt der Fertigung lässt sich so der Ist-Zustand von Prozess und Bauteil exakt bestimmen. Die so experimentell gewonnen Ergebnisse lassen sich in die Simulation zurückführen und ermög-lichen eine realitätsnahe Abbildung des Prozesszustandes und der Laminatqualität auf Bauteilebene.