Experimentelle Charakterisierung und numerische Simulation des Automated Fiber Placement (AFP)-Prozesses für thermoplastische Faserverbundkunststoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Drechsler; Professor Dr.-Ing. Alexander Popp
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325153381

Für die effiziente, qualitativ hochwertige und reproduzierbare Herstellung von thermoplastischen Faserverbundkunststoff-Komponenten sind automatisierte Fertigungsverfahren nötig. Automated Fiber Placement (AFP) hat durch die lastpfadgerechte Ablage von Fasern zu endkonturnahen Bauteilen ein besonders großes Potenzial. Bei korrekter Temperaturführung ist beim thermoplastischen AFP (TP-AFP) eine in-situ Konsolidierung möglich, also an Ort und Stelle des Prozesses ohne nachgelagerte Aushärtung. Das Prozessverständnis hat jedoch bei weitem noch nicht den für eine breite industrielle Anwendung des TP-AFP benötigten Reifegrad erreicht. So fällt es heute noch immer schwer geeignete Prozessfenster für die wichtigsten Schlüsselparameter wie Laserleistung, Ablagegeschwindigkeit und Anpressdruck zu definieren, die eine gleichbleibend hohe Bauteilqualität gewährleisten. Insbesondere die Vorhersage von Eigenspannungen und Verzug ist nur unzureichend gelöst und die Prozesseinstellung beruht oft auf einem Trial-and-Error-Verfahren. Die Gründe für diese Diskrepanz zwischen geringer Vorhersagegenauigkeit und hohem industriellem Anspruch liegen gleichermaßen in nicht ausgereizten Möglichkeiten der experimentellen Charakterisierung sowie der Modellbildung und Simulation. Ziel der Antragsteller ist es daher, das Prozessverständnis im Bereich TP-AFP durch neuartige experimentelle Untersuchungen und Methoden der numerischen Simulation grundlegend zu verbessern. Auf experimenteller Seite steht die Integration von faseroptischen Sensoren in den AFP-Prozess im Mittelpunkt. Hierbei werden erstmals Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren genutzt, um die charakteristischen TP-AFP-Prozessgrößen Konsolidierungsdruck und Laminattemperatur gezielt an den entscheidenden Stellen, also auch innerhalb des Laminats, zu überwachen und im Anschluss an die Fertigung eine verlässliche Bestimmung der fertigungsinduzierten Eigenspannungen zu ermöglichen. Ein langfristiges Ziel ist die Überwachung des Bauteils im Betrieb durch sogenanntes Structure Health Monitoring (SHM). Im Bereich der numerischen Simulation des TP-AFP-Prozesses fehlt es heute noch an einem ganzheitlichen Ansatz zur Vorhersage der kritischen Bauteileigenschaften. Der Fokus in diesem Vorhaben liegt daher auf der Entwicklung und schrittweisen Integration eines entsprechenden Gesamtprozessmodells auf der Basis nichtlinearer Finite-Elemente-Methoden (FEM). Ziel ist es mit diesem TP-AFP-Gesamtmodell eine erheblich verbesserte Vorhersagegenauigkeit gegenüber dem heutigen Stand der Forschung zu erreichen. Schließlich stellt auch die Integration von Experiment, Modellbildung und Simulation ein besonderes Merkmal dieses Vorhabens dar. So wird bei der Simulation konsequent auf die parallel dazu gewonnenen experimentellen Ergebnisse zurückgegriffen, so dass alle Teilmodelle geeignet parametrisiert werden können. Durch dieses integrierte Vorgehen wird letztlich eine höchstmögliche Qualität des entwickelten Prozessmodells sichergestellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Wolfgang A. Wall