Beitrag zur Qualitätssicherung beim in-situ Tape-Legen komplexer Laminate

Buschhoff, Clemens; Brecher, Christian; Hopmann, Christian

doi:10.18154/RWTH-2022-02788

Beitrag zur Qualitätssicherung beim in-situ Tape-Legen komplexer Laminate = Contribution to quality assurance in in-situ tape laying of complex laminates

Buschhoff, Clemens

2022

VerantwortlichkeitsangabeClemens Buschhoff

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-98555-047-0

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 9/2022

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2022. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Brecher, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Hopmann, Christian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-12-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-02788
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/842942/files/842942.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FVK (frei) ; Kurvenpfade (frei) ; Laminate (frei) ; Qualitätssicherung (frei) ; Tape-Legen (frei) ; Thermoplast (frei) ; UD (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Klimawandel und die daraus resultierenden ambitionierten Klimaziele zur Reduktion von CO2-Emissionen stellen insbesondere den Verkehrssektor vor eine Herausforderung. In der Nutzungsphase beeinflusst die Masse den Energiebedarf eines Fahrzeugs in entscheidendem Maße. Die Elektromobilität verstärkt diesen Trend, da Batteriegewichte kompensiert und die Reichweite maximiert werden müssen. Daher ist Leichtbau in der Entwicklung neuer Produkte ein vielfach gefordertes Kriterium. Faserverbund-Kunststoffe ermöglichen hier Leichtbauteile mit hohen mechanischen Eigenschaften. Die Herausforderung liegt dabei in einem effizienten Fertigungsprozess. Mit dem in-situ Tape-Legen ist es möglich, unidirektional faserverstärkte Thermoplast-Tapes last- und gewichtsoptimiert abzulegen und somit Bauteile sowohl generativ als auch automatisiert herzustellen. Thermoplastische Matrixsysteme sind hierbei sehr vielversprechend. Das Tape-Legen kann unter anderem mit bereits ausgereiften Technologien, wie dem Spritzgießen, kombiniert werden. Um die Technologie vermehrt anzuwenden, ist eine Auseinandersetzung mit den qualitätsbeeinflussenden Faktoren notwendig. Bislang wenig beachtete Faktoren sind die Eigenschaften des zu verarbeitenden Tapes. Durch schwankende Tape-Qualitäten und laterale Kurvenbahnen entstehen Defekte in Form von Faserwellungen und Fehlstellen. In dieser Arbeit wird daher das Tape-Legen von lateralen Kurvenbahnen untersucht. Dazu werden zunächst die Einflussfaktoren auf die Qualität beim Tape-Legen definiert und auf die Beeinflussbarkeit hin untersucht. Auf dieser Basis werden zwei Ansätze zur Qualitätssicherung entwickelt. Mit der Modifizierung des Tapes vor Ablage von Kurvenbahnen wird die Laminatqualität bei kurvigen Pfaden verbessert. Darüber hinaus wird mit einer in-Prozess Tape-Überwachung das eingehende Tape geprüft, wodurch sich der Tape-Lege-Prozess entsprechend anpassen und regeln lässt. Für beide Ansätze werden Module entwickelt, welche sich in bestehende Produktionssysteme integrieren lassen. Schließlich wird der Nachweis erbracht, dass mit den entwickelten Modulen Kurven mit größeren Winkeln, engeren Radien und breiteren Tapes als bisher realisierbar sind. Zudem ist auch eine kontinuierliche Erfassung charakteristischer Tape-Eigenschaften möglich.

Climate change and the resulting ambitious climate targets for reducing CO2 emissions pose a challenge to the transport sector in particular. In the use phase, mass has a decisive influence on a vehicle's energy requirements. Electromobility reinforces this trend, as battery weights have to be compensated and range maximized. Therefore, lightweight construction is a frequently demanded criterion in the development of new products. Here, fiber-reinforced composites enable lightweight components with high mechanical properties. The challenge here lies in an efficient manufacturing process. With in-situ tape laying, it is possible to lay down unidirectional fiber-reinforced thermoplastic tapes in a load- and weight-optimized manner and thus to manufacture components both generatively and automatically. Thermoplastic matrix systems are very promising in this respect. Tape laying can be combined with already mature technologies such as injection molding, among others. In order to increase the use of the technology, it is necessary to address the factors that influence quality. Factors that have received little attention so far are the properties of the tape to be processed. Fluctuating tape qualities and lateral curve paths result in defects in the form of fiber corrugations and flaws. This paper therefore investigates the tape laying of lateral curved paths. To this end, the factors influencing the quality of tape laying are first defined and examined to determine whether they can be influenced. On this basis, two approaches to quality assurance are developed. By modifying the tape before laying down curved paths, the laminate quality is improved for curved paths. In addition, in-process tape monitoring is used to inspect the incoming tape, allowing the tape lay-up process to be adjusted and controlled accordingly. Modules are being developed for both approaches, which can be integrated into existing production systems. Finally, it will be demonstrated that the developed modules can be used to realize curves with larger angles, tighter radii and wider tapes than before, as well as to continuously record characteristic tape properties.

OpenAccess:
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