D. Fricke, S. Tröger, K. Kerker, M. Schneider

Hoch beanspruchte Bauteile aus Faserverbundkunststoffen (FVK) werden aufgrund der erforderlichen Materialeigenschaften häufig in Autoklaven gefertigt. Der hohe Energie- und Zeitaufwand macht die Entwicklung alternativer Out-Of-Autoclave-Prozesse (OOA) mit vergleichbarer Qualität interessant. Insbesondere additive Verfahren wie Automated Fiber Placement (AFP) besitzen ein hohes Einsparungspotenzial. Bei der Verwendung von FVK mit thermoplastischer Matrix und In-Situ-Konsolidierung lassen sich kurze Zykluszeiten erreichen. Allerdings sorgen der hohe Temperaturgradient und die inhomogene Aufheizung des Bauteils beim Ablegen der Tapes für hohe Spannungen und bei teilkristallinen Werkstoffen auch für ungleichmäßige Kristallisationen. Um gleichbleibende Bauteilqualität bei besserer Energieeffizienz und kürzeren Zykluszeiten zu realisieren und dabei den Verzug und die Eigenspannungen zu minimieren, haben Untersuchungen aus der Vergangenheit deutliche Vorteile bei der Verwendung von beheizten Werkzeugen gezeigt. Klassisch kommen bei der Werkzeugheizung entweder integrierte Heizsysteme über Medien wie Öl oder Wasser oder externe Wärmequellen wie Heizdecken oder Infrarotstrahler zum Einsatz. In das Werkzeug integrierte Heizungen erhöhen allerdings die Kosten für das Werkzeug, so dass sich die Anschaffung erst bei größeren Stückzahlen amortisiert. Externe Heizsysteme hingegen interferieren bei additiven Fertigungsverfahren mit dem Prozess, da z.B. bei AFP der Tapelegekopf freien Zugang zum Bauteil im halboffenen Werkzeug benötigt. Für diesen Anwendungsfall ist also eine neuartige Werkzeugheizung erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Werkzeug entwickelt, bei dem die Heizung durch mehrere Induktionsspulen realisiert wird. Hierdurch kann eine homogene Temperaturverteilung bei gleichzeitig effizienter Energiezufuhr gewährleistet werden. Durch eine angepasste Konstruktion des Werkzeugs können deutliche Energieeinsparungen und hohe Aufheizraten erzielt werden, was wiederum kürzere Taktzeiten ermöglicht. Mit Hilfe von Prozesssimulationen sowohl der Induktionsheizung als auch des AFP-Prozesses wurden die Fertigungsparameter optimiert und werden mit einem mehrfach gekrümmten Demonstratorbauteil validiert. Die Laminatqualität wird abschließend mittels diverser Analysemethoden wie z.B. 3D-Scans überprüft.

Highly stressed components made of fiber-reinforced plastics (FRP) are often manufactured in autoclaves due to the required material properties. The high energy and time expenditure makes the development of alternative out-of-autoclave processes (OOA) with comparable quality interesting. Additive processes such as Automated Fiber Placement (AFP) in particular have high savings potential. Short cycle times can be achieved when using FRP with a thermoplastic matrix and in-situ consolidation. However, the high temperature gradient and the inhomogeneous heating of the component when the tapes are placed lead to high tensions and, in the case of semi-crystalline materials, also to uneven crystallization. In order to achieve consistent component quality with better energy efficiency and shorter cycle times while minimizing distortion and residual stresses, past studies have shown clear advantages when using heated tools. Classically, either integrated heating systems using media such as oil or water or external heat sources such as electric blankets or infrared radiators are used for tool heating. However, heaters integrated into the tool increase the cost of the tool, so that the purchase only pays for itself with larger quantities. External heating systems, on the other hand, interfere with the process in additive manufacturing processes, as in AFP, for example, the tape laying head requires free access to the component in the half-open tool. A new kind of tool heating is required for this application. As part of this work, a tool was developed in which heating is achieved using several induction coils. This ensures a homogeneous temperature distribution while simultaneously providing efficient energy supply. By adapting the design of the tool, significant energy savings and high heating rates can be achieved, which in turn enables shorter cycle times. With the help of process simulations of both the induction heating and the AFP process, the manufacturing parameters were optimized and are being validated with a multi-curved demonstrator component. The laminate quality is then checked using various analysis methods such as 3D scans.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2023, Stuttgart

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2023

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 6 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2023112913380717829659

10.25967/610206

Fertigung, Faserverbund

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Fricke, D.; Tröger, S.; et al. (2023): Entwicklung eines induktionsbeheizten Werkzeugs für Out-of-Autoclave-Fertigungsprozesse für Faserverbundbauteile. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/610206. urn:nbn:de:101:1-2023112913380717829659.

29.11.2023