D. Fricke

Das automatische Ablegen und In-Situ-Konsolidieren von faserverstärkten thermoplastischen Tapes ist ein effizienter und schneller Prozess zur Fertigung großer und komplex geformter thermoplastischer Faserverbundbauteile. Das dafür erforderliche lokale und inhomogene Aufheizen der Tapes durch punktuelle Wärmequellen wie zum Beispiel Laser kann jedoch zu internen Spannungen und Verformungen führen, die durch die Teilkristallinität einiger Werkstoffe wie zum Beispiel PEEK noch verstärkt werden. Um diese negativen Einflüsse auf die finale Bauteilgeometrie zu minimieren und Bauteile mit akzeptablen Toleranzen zu fertigen, ist entweder eine Nachkonsolidierung in einem Autoklaven, Ofen oder einer Heizpresse erforderlich, oder die Fertigungsparameter und Werkzeuge müssen auf minimale Deformation optimiert werden. Diese Optimierung erfordert nach dem Stand der Technik langwierige Versuchsreihen, die wiederum die Kosten für die Fertigung erhöhen. Alternativ können die erforderlichen Parameter mit Fertigungssimulationen ermittelt werden. Für diese Simulationen sind einerseits komplexe Modelle erforderlich, die sämtliche dynamischen und inhomogenen Randbedingungen detailgetreu abbilden. Andererseits muss das Materialmodell thermochemische Modelle wie Kristallisierung, Schmelzen und Erstarren korrekt wiedergeben. Am deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart wird an der Automatisierung der Simulationen mit Hilfe von Materialmodellen der Firma Convergent gearbeitet. Ziel der Arbeit ist ein vollständiger digitaler Zwilling beliebiger Tapelegebauteile. Mit der in diesem Paper beschriebenen automatisierten Simulation können über die Variation einfacher Geometrieparameter automatische Optimierungen am Prozess und Werkzeug durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden mit Versuchen an einer Tapelege-Anlage verifiziert.

The automated laying and in-situ consolidation of fiber-reinforced thermoplastic tapes is an efficient and fast process for manufacturing large and complexly shaped thermoplastic fiber composite components. However, the necessary local and inhomogeneous heating of the tapes by point heat sources such as lasers can lead to internal stresses and deformations, which are further exacerbated by the partial crystallinity of some materials, such as PEEK. To minimize these negative effects on the final component geometry and to produce components with acceptable tolerances, either post-consolidation in an autoclave, oven, or heat press is required, or the manufacturing parameters and tools must be optimized for minimal deformation. According to current technology, this optimization requires lengthy test series, which in turn increase manufacturing costs. Alternatively, the required parameters can be determined using manufacturing simulations. These simulations require complex models that accurately represent all dynamic and inhomogeneous boundary conditions. On the other hand, the material model must accurately represent thermochemical processes such as crystallization, melting, and solidification. At the German Aerospace Center (DLR) in Stuttgart, researchers are working on automating simulations using material models from Convergent. The goal is to create a complete digital twin of any tape laying component. The automated simulation described in this paper allows for automatic optimization of the process and tooling by varying simple geometric parameters. The results are verified through tests on a tape laying machine.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2019, Darmstadt

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2020

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 11 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2020013110472100159723

10.25967/490041

FFS, Fertigungssimulation

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Fricke, D. (2020): Fertigungssimulation des Tapelegeprozesses mit In-Situ Konsolidierung von faserverstärkten thermoplastischen Tapes. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/490041. urn:nbn:de:101:1-2020013110472100159723.

31.01.2020