Methodology for a near net shape, wrinkle-free production of textile preforms by using a segment based die draping
Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing
Final Report Abstract
Das Stempel-Preforming in der Binder-Umformtechnik bietet ein großes Potential zur Fertigung komplexer, schalenförmiger Preforms, was ein Schlüsselprozess in der Herstellung von endlosfaserverstärkten Bauteilen darstellt. Ein innovativer Ansatz zur Verbesserung der Preformqualität stellen segmentierte Werkzeugsysteme dar. Das Werkzeugsystem führt zu einer hohen Anzahl an Möglichkeiten für eine Werkzeugsegmentierung und -sequenz, sodass eine intuitive Definition der Werkzeugeinstellung nicht mehr möglich ist. Zusätzlich verändert das sequentielle Schließen der Werkzeugsegmente die Umformtemperatur sowie -dauer. Es ist somit das Umformverhalten von bebinderten, textilen Materialien bei unterschiedlichen Umformtemperaturen zu charakterisieren. Die Umform- und Aktivierungsparameter sind hinsichtlich eines segmentierten Werkzeugsystems so zu definieren, dass eine geringer Verformungswiderstand und eine ausreichende Stabilität nach dem Umformvorgang gewährleistet sind. Ziel des Projekts ist daher die Entwicklung einer systematischen Vorgehensweise, die ausgehend von einem Materialsystem und einer Bauteilgeometrie die Prozessstrategie für das Preforming mit einem segmentierten Werkzeugsystem definiert. Die Prozessstrategie umfasst die Werkzeugsegmentierung und -sequenz. Die experimentelle Analyse des Materialverhaltens zeigt einen signifikanten Einfluss des Bindermaterials und der Umformtemperatur auf den Verformungswiderstand. Für das Preforming mit einem segmentierten Werkzeugsystem ist somit sicherzustellen, dass eine minimal zulässige Umformtemperatur während der Umformung nicht unterschritten wird, die stark abhängig von eingesetzten Bindersystem ist. Für das Preforming mit einem segmentierten Werkzeugsystem sind die Auswahl eines geeigneten Bindersystems sowie das Sicherstellen einer ausreichenden Umformtemperatur somit essentiell. Zur Definition der Prozessstrategie werden in diesem Projekt unterschiedliche Modelle entwickelt und validiert, die abschließend zu einem systematischen Vorgehen kombiniert werden. Die Definition der Werkzeugsegmentierung basiert auf einer geometrischen Analyse der Bauteilgeometrie. Die Optimierung der Werkzeugsequenz erfolgt anschließend durch eine Kopplung eines FE-basierten Umformmodells mit einem genetischen Algorithmus, der die Faltenbildung im Preform minimiert. Die Modellierung des textilen Materials erfolgt durch die Superposition eines nicht linearen anisotropen Materialmodells zur Beschreibung der Intra-Ply-Scherung und -Dehnung und eines linear elastischen Materialmodells zur Berücksichtigung der Biegeeigenschaften. Zusätzlich bedingt das Bindermaterial in einem mehrlagigen Aufbau, dass es neben einer klassischen Coulomb‘schen Reibung zu einer Adhäsion in tangentialer Richtung zwischen den Lagen kommt. Senkrecht zur Kontaktfläche wird bei dem verwendeten Bindermaterial keine Adhäsion beobachtet, sodass ein widerstandfreies Ablösen in normaler Richtung modelliert wird. In der experimentellen Validierung für zwei unabhängige Bauteilgeometrien führen die Segmentierung des Werkzeugsystems und die Optimierung der Sequenz im Vergleich zum ungeteilten Werkzeugsystem zu einer geringeren Faltenbildung. Dabei zeigt der Einsatz des genetischen Optimierungsverfahrens eine wesentlich höhere Effizienz gegenüber einer zufallsbasierten Bestimmung der Werkzeugsequenz. Die Segmentierung des Werkzeugsystems auf Basis der Geometrieanalyse grenzt den Lösungsraum zielgerichtet ein, sodass in Kopplung mit dem Optimierungsverfahren eine Effizienzsteigerung zur Definition der Prozessstrategie erreicht wird.
Publications
- (2018), „Influence of punch sequence and prediction of wrinkling in textile forming with a multi-punch tool“, Production Engineering, 12 (6), S. 779–788
Coutandin, S.; Brandt, D.; Heinemann, P.; Ruhland, P. & Fleischer, J.
(See online at https://doi.org/10.1007/s11740-018-0845-9) - (2019), „Mechanical characterisation of the shear, bending and friction behaviour of bindered woven fabrics during the forming process“, Materials Science & Engineering Technology, 50 (12), S. 1573–1587
Coutandin, S.; Wurba, A.; Luft, A.; Schmidt, F.; Dackweiler, M. & Fleischer, J.
(See online at https://doi.org/10.1002/mawe.201900074) - (2019), „Production of Hybrid Tubular Metal-Fiber-Preforms: Material Characterization of Braided Hoses with a Binder“, Procedia CIRP, 85 , S. 121–126
Ruhland, P.; Berger, M.; Coutandin, S. & Fleischer, J.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2019.09.013) - (2020), „Prozessstrategien für das automatisierte Preforming von bebinderten textilen Halbzeugen mit einem segmentierten Werkzeugsystem“. Dissertation, Forschungsberichte aus dem wbk Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) (232), ISBN: 978-3-8440-7413-0, Shaker Verlag
Coutandin, S.
(See online at https://doi.org/10.5445/IR/1000120287)
