Mobiles, adaptives CFK-Laminiersystem
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Mittelpunkt der anfänglichen Untersuchungen und Forschungsarbeiten mit den mobilen Laminierplattformen standen zahlreiche, unterschiedliche Arbeitsschritte der Produktion großer Leichtbaustrukturen. Dazu zählten die Handhabung großer textiler Zuschnitte, Ablageprozesse textiler Halbzeuge, Laminierung konsolidierter Kohlenstofffaserbänder, Handhabung ausgehärteter Laminate im Rahmen von Montageprozessen, Beschichtungsprozesse von Flugzeugrümpfen bis hin zur optischen Vermessung der Schwingungseigenschaften. Ein wichtiger Aspekt bei FKV-Bauteilen ist die exakte Einhaltung der Faserwinkel des asymmetrischen Lagenaufbaus. Dazu werden beim Preformprozess die Faserlagen durch Bindermaterialien vorfixiert und als komplettes Lagenpaket in einer formflexiblen Vorrichtung umgeformt. Basierend auf einer Technologieanalyse zum Heben von großflächigen Bauteilen wird der Preform vollständig evakuiert. Anschließend wird der versteifte Aufbau mit Vakuumsaugern durch die mobile Roboterplattform angehoben und transportiert. Eine präzise Positionierung erfordert eine genaue Bahnsteuerung. Zur hochgenauen Vermessung des Arbeitsraumes wird derzeit im Rahmen eines Promotionsvorhabens ein Multitrace-System untersucht. Mit ihnen ist es möglich, die Position und Lage des Endeffektors der mobilen Roboter im Mikrometer-Bereich zu messen. Mittels Multilateration können nun verschiedene Messungen zur Robotergenauigkeit durchgeführt werden. Der Aufbau der Lasertracer wurde mit Hilfe eines Gestells optimiert, so dass die Roboterbewegungen durch das Messsystem erfasst werden können. Ziel ist es, die Messunsicherheiten möglichst gering zu halten. Um Bahngeschwindigkeiten von 2 m/s zu ermöglichen, muss der Ausgang der Lasertracer mit bis zu 6 MHz überwacht werden. Die dazu erforderlichen Untersuchungen sind Gegenstand einer Kooperation mit der einem mittelständischen Unternehmen, die nach gemeinsamen Vorarbeiten jetzt in einem gemeinsamen Projektantrag bei der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) mündete. Zur Qualitätssicherung ist ein automatisiertes Einmessen von FKV-Bauteilen mittels Lasertracker möglich. Der Flächenscan wird dabei nach einmaligem Start von Skript und Roboterprogramm während der Bewegung der Roboterkinematik erstellt. Letztendlich erfolgt die automatische Netzberechnung durch die zugehörige Software für Koordinatenmesstechnik. Im Rahmen der Untersuchung neuer Laminierstrategien wurde ein neues Fertigungskonzept erarbeitet, welches die Verarbeitung unidirektionaler und bereits konsolidierter Kohlenstofffaserbänder adressiert. Im Rahmen einer Dissertation wurden dazu die Prinzipien der automatisierten Ablage für unidirektionale, konsolidierte Kohlenstofffaserbänder erarbeitet, die für eine Ablage mittels der mobilen Laminierplattformen gelten. Dazu zählen unter anderem Oberflächenvorbehandlung, Klebstoffauftrag und Schneidprinzipien in einem mobilen Fertigungsprozess. In einem neuen Promotionsprojekt werden sie jetzt hinsichtlich einer Kombination mit der 3D-Drucktechnologie erweitert. Daneben werden Versuche zur automatisierten Ablage von Interfacelagen für Anisogridstrukturen durchgeführt. Für die Montage von nachgiebigen Leichtbauschalen werden derzeit Endeffektoren, die in Leichtbauweise ausgelegt und hergestellt sind, in Zusammenarbeit zwischen dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und der TU Braunschweig entwickelt und getestet. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen die Struktur-Endeffektor-Interaktionen. Mithilfe eines neuen adaptiven Montagegestells können Bauteile aufgenommen und verformt werden. Bedingt durch den Fertigungsprozess kommt es insbesondere bei Faserverbundbauteilen zu größeren Abweichungen. Durch ein formflexibles Montagegestell, das mit einem Echtzeitmesssystem gekoppelt ist, werden diese Abweichungen für die Montage minimiert. Nach der Umformung kann das Bauteil im verformten Zustand zur Endposition gefahren und eingebaut werden. Seitens der Flugzeugindustrie besteht Interesse, die mobilen Laminierplattformen für ein direktes 2D-Drucken zu verwenden. Im Rahmen einer Studie mit dem Fraunhoferinstitut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung wurde das Bedrucken einer Rumpfschale in Originalgröße untersucht. Die Druckstudien wurden von einer Simulation und Modellierung des Prozesses begleitet. Die mobilen Plattformen eignen sich auch für die Vermessung großer Leichtbaustrukturen. Zwei studentische Abschlussarbeiten widmeten sich dieser Frage. Eine mobile Laservibrometrie, die ein scannendes Laser-Doppler-Vibrometer als Endeffektor der mobilen Plattformen nutzt, demonstrierte die prinzipielle Eignung an Hand der Schwingungsmessung an einem Seitleitwerksholm eines Großraumflugzeugs. Die mobilen Laminiereinheiten wurden auf JEC 2017 in Paris und auf der Hannover Messe 2017 präsentiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Consolidated Fibre Placement (CFP) - adhesive joining of consolidated fibre tapes”, Composite Structures (2016)
Henneberg, A., Transier, G., Sinapius, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.12.008) - Das zellulare Formwerkzeug, Dissertation, Technische Universität Carolo Wilhelmina zu Braunschweig 2017
Grote, M.
- Prinzipien der automatisierten Ablage für unidirektionale, konsolidierte Kohlenstofffaserbänder, Dissertation, Technische Universität Carolo Wilhelmina zu Braunschweig 2017
Henneberg, A.
