Modellprädiktive Impedanzregelung pneumatischer Kontinuums-Aktoren im kontinuierlichen Nassdrapierprozess (OptiDrap)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berend Denkena
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495148995

Hochleistungsbauteile aus Faserverbundwerkstoffen können in automatisierten Drapierprozessen hergestellt werden. Dabei können die Bauteile eine hohe Formkomplexität aufweisen, deren Grenzen unter anderem durch die textilen Eigenschaften festgelegt werden. Weitaus einschränkender wirkt sich aber bei zunehmender Formkomplexität der Bauteile die Fähigkeit des Drapiersystems aus, die erforderlichen Drapierformen abzubilden und die bahnenförmigen Textilhalbzeuge endkonturnah und mit voraussehbarer Orientierung der Fasern abzulegen. In eigenen simulativen Untersuchungen zum kontinuierlichen Drapieren von bahnenförmigen Halbzeugen stellte sich heraus, dass die Linie, entlang der das Textil zu einem bestimmten Zeitpunkt an die Werkzeugoberfläche im Zuge der Drapierung angedrückt wird, als dreidimensionaler Spline hinreichend gut approximiert werden kann. Diese Drapierlinie ist so gewählt, dass das Textil über seine gesamte Breite eine möglichst konstante Spannung erfährt. Dabei ändert sich ihre Gestalt stetig in Abhängigkeit der Oberflächengeometrie. Zum kontinuierlichen Andrücken des Textils an der Drapierlinie wurde ein formflexibles Andrückelement entwickelt und in einem Versuchsstand umgesetzt. Durch pneumatische Kontinuums-Aktoren (KA) wird die Drapierlinie zwischen steifen Stützpunkten interpoliert. Das Vorhaben OptiDrap folgt der Forschungshypothese, dass die Regelung der Textilspannung durch Adaption der Drapierlinie während der Ablage möglich ist und die Impedanz der KA in der Kontakttrajektorie beobachtet und geregelt werden kann. Daraus abgeleitet zielt das Projekt auf die Erforschung und Modellierung der Wechselwirkungen von Textil, Oberflächengeometrie und Andrückelement zur Integration in eine textilspannungsabhängige Prozessregelung ab.Experimentell werden Kenntnis über die im Drapierprozess auftretenden Wechselwirkungen im Ablagebereich in Abhängigkeit drapierkinematischer Parameter erlangt. Aufbauend auf den im Rahmen der Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse wird ein bestehendes Prozessmodell für den CWD Prozess (Kontinuierliches Nassdrapieren – engl. continuous wet draping) um eben diese technologiebedingten Wechselwirkungen erweitert und mit der sensorischen Erfassung der Textilspannung eine onlinefähige Berechnung des Ablagezustands aufgebaut.Die KA des Andrückelements besitzen durch das elastische Hüllenmaterial unendliche Freiheitsgrade und ermöglichen Dehnungen über 100%, was die sensorische Erfassung des dynamischen Verformungszustands und Kontaktkräften stark erschwert. Im Bereich der Soft-Robotic wird daher auf modellbasierte Regelungskonzepte zurückgegriffen. Ein Teilziel des Vorhabens ist daher die konstitutive Modellierung der Interaktion der KA bei der Drapierung und die Gestaltung einer auf dieser Modellierung basierenden Impedanzregelung zur Beeinflussung der Flächenpressung an der Kontakttrajektorie. Dadurch wird das System befähigt, die Textilspannung adaptiv durch Änderung der Drapierlinie im Prozess auszugleichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen