New heating techniques are required to better control heat transfer between heating tools and a composite towpreg in the automated fiber placement process. This dissertation suggests new heating techniques with liquid and rigid contact heat sources, and compares them with a widely used gas heat source for the fiber placement process. A thin towpreg composite model needs to be developed to describe the heat transfer. Subsequently, the response of the towpreg with each heat source was compared from manufacturing speed and energy efficiency viewpoints. The most promising heat source was developed for heat transfer modeling between a moving towpreg and dynamic heat source in the automated fiber placement. Through the heat transfer model, both the temperature controllability of the towpreg and manufacturing speed could be investigated. In addition, an accurate compaction process is needed in response to the growing demand for better composite processing. Since the errors in compaction mechanisms and robotic machinery in fiber placement have not been discussed in the literature, experimental investigation to address possible reasons for the variations in the compaction force was conducted with a compaction mechanism. A clearer understanding of the physical compaction process can lead to controllable process parameters for consistent ply compaction, such that the final parts quality can be enhanced. Even though this dissertation investigates the thin thermoset fiber placement process, the proposed approach could be universally applicable to other composite-fabrication processes. / Ph. D.

Online consolidation fiber placement is emerging as an automated manufacturing process for the fabrication of large composite material complex structures. While traditional composite manufacturing techniques limited the products' size, geometrical shapes and laminate patterns, robotic automation of the fiber placement process allows the manufacture of complex bodies with any desired surface pattern or towpreg's direction. Therefore, a complete understanding of the robot kinematic capabilities should be made to accurately position the structure's substrate in the workcell and to compute the feasible product dimensions and sizes. A Matlab algorithm is developed to verify the feasibility of straight-line trajectory paths and to locate all valid towpreg segments in the workspace, with no focus on optimization. The algorithm is applied preliminary to a three-link planar arm; and a 6-dof Merlin robot is subsequently considered to verify the towpreg layouts in the three-dimensional space. The workspace is represented by the longest feasible segments and plotted on parallel two-dimensional planes. The analysis is extended to locate valid square areas with predetermined dimensions. The fabrication of isotropic circular coupons is then tested with two different compaction heads. The results allow the formulation of a geometric correlation between the end-effector dimensional measures and the orientation of the end-effector with respect to the towpreg segments. / Master of Science

In der vorliegenden Arbeit wird die Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung von mittels der Tailored Fiber Placement (TFP)-Technologie hergestellten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) am Beispiel eines einteiligen Rotors aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz (CFK) für den Einsatz in Turbomolekularpumpen (TMP) vorgestellt. Im Vergleich zu anderen textilen Fertigungsverfahren können mit Hilfe der TFP-Technologie Verstärkungsfaserrovings in der Ebene variabelaxial, d. h. mit ortsunabhängiger, frei wählbarer Richtung, definiert abgelegt werden. Die sticktechnische Fixierung der Rovings mit Hilfe eines Nähfadens führt zu Welligkeiten und Materialinhomogenitäten in TFP-basierten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Dadurch werden die Materialeigenschaften beeinflusst. Mit Hilfe einer Prozessanalyse in Kombination mit morphologischen Untersuchungen werden in dieser Arbeit die welligkeitsinduzierenden Effekte in TFP-basierten FKV identifiziert und quantifiziert. Darauf aufbauend wird ein mesoskaliges Repräsentatives Volumenelement (RVE) einer TFP-Einheitszelle auf Basis von Finiten Elementen entwickelt. Mit Hilfe des RVE wird es erstmalig ermöglicht, die Dehnungs- und Spannungsverteilung sowie den lokalen Faservolumengehalt in TFP-basierten FKV zu berechnen und daraus wirklichkeitsnahe Materialkennwerte abzuleiten. Darüber hinaus wird anhand des RVE der Einfluss variierender TFP-Prozessparameter auf die resultierenden Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften analysiert. Weiterhin wird der Einfluss des unter Langzeitbelastung eintretenden Matrixkriechens auf die Materialeigenschaften von TFP-basierten FKV untersucht. Anhand der Entwicklungsschritte eines CFK-TMP-Rotordemonstrators werden die Besonderheiten beim Auslegungsprozess für Bauteile aus TFP-Strukturen verdeutlicht. Neben der Erläuterung der Lastfälle von TMP-Rotoren wird die Entwicklung eines lastfallangepassten Faserlayouts unter Berücksichtigung von geometrischen Restriktionen beschrieben. Im Rahmen der Spannungsanalyse auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) erfolgt die Integration der mittels des RVE bestimmten Materialdaten in das FE-Modell schichtweise, entsprechend der verwendeten TFP-Prozessparameter. Die mit dieser Vorgehensweise berechnete Versagensdrehzahl und die ermittelten Eigenfrequenzen konnten in experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden. Durch die Integration der ortsaufgelösten RVE-basierten Materialdaten wird erstmalig nicht nur die Struktursteifigkeit, sondern auch die Festigkeit ausgehend von einem variabelaxialen TFP-Ablagemuster in einem TFP-basierten Bauteil vorhergesagt. Mit dem entwickelten TMP-Rotordemonstrator kann die Versagensdrehzahl gegenüber dem Stand der Technik um 45 % gesteigert werden. In der Arbeit wird auch herausgestellt, welche Änderungen der Geometrie von TMP-Rotoren aus FKV nötig sind, um eine werkstoffgerechte, an die orthotropen Eigenschaften von FKV angepasste Gestaltung zu realisieren und damit die Nenndrehzahlen weiter steigern zu können. Diese Erkenntnisse dienen in verallgemeinerter Weise der werkstoffgerechten Auslegung und Fertigung von TFP-basierten FKV-Bauteilen. / The present work demonstrates the stiffness and strength design of fiber reinforced plastics (FRP) made by the Tailored Fiber Placement (TFP) technology using the example of a a turbo molecular pump (TMP) rotor made of carbon fiber reinforced epoxy resin (CFRP). In contrast to other textile preform manufacturing processes, the TFP technology enables the placement of reinforcement rovings in arbitrary direction according to an user defined design path. In this technology a double locked stitch in a zigzag stitch pattern is used to fixate the rovings. The fixation process leads to waviness and material inhomogeneities within the placed rovings resulting in reduced material properties in TFP-based fiber reinforced plastics. The wavinessinducing effects have been identified and quantified by detailed process analysis and morphological investigations. Subsequently, a meso-scaled representative volume element (RVE) of a TFP unit cell based on finite elements was developed. The RVE provides the opportunity to derive realistic material properties by calculating the stress and strain distribution as well as as the local fiber content in TFP-based FRP. In this work, the influence of different TFP process parameters on the resulting modulus and strength has been investigated using the RVE approach. Additionally, long term loading effects leading to a reduced matrix modulus were analyzed numerically with the RVE. Based on the development of the CFRP TMP rotor specific characteristics of the design process for components made of TFP are clarified. Besides the explanation of loading conditions of TMP rotors the progress of a load-adapted fiber layout considering geometrical restrictions is demonstrated. For the stress analysis based on the Finite Element Method (FEM) material data calculated with the RVE according to the applied TFP process parameters have been integrated into the FE model. The numerically determined failure speed and the calculated eigenfrequencies were successfully validated by experimental tests. By implementing TFP specific material data in the FE model, both, the strucural rigidity as well as the strength, were predicted for the first time in a TFP-based component. Compared to the state-of-the-art, the developed TMP rotor offers an increased failure speed by 45 %. Furthermore necessary geometric modifications for FRP based TMP rotors in order to achieve a material-specific design adapted to the orthotropic material properties and thus to further increase the nominal rotational speeds were shown. These findings provide in a generalized way for a material-specific design of TFP-based FRP components.

In der vorliegenden Arbeit wird die Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung von mittels der Tailored Fiber Placement (TFP)-Technologie hergestellten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) am Beispiel eines einteiligen Rotors aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz (CFK) für den Einsatz in Turbomolekularpumpen (TMP) vorgestellt. Im Vergleich zu anderen textilen Fertigungsverfahren können mit Hilfe der TFP-Technologie Verstärkungsfaserrovings in der Ebene variabelaxial, d. h. mit ortsunabhängiger, frei wählbarer Richtung, definiert abgelegt werden. Die sticktechnische Fixierung der Rovings mit Hilfe eines Nähfadens führt zu Welligkeiten und Materialinhomogenitäten in TFP-basierten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Dadurch werden die Materialeigenschaften beeinflusst. Mit Hilfe einer Prozessanalyse in Kombination mit morphologischen Untersuchungen werden in dieser Arbeit die welligkeitsinduzierenden Effekte in TFP-basierten FKV identifiziert und quantifiziert. Darauf aufbauend wird ein mesoskaliges Repräsentatives Volumenelement (RVE) einer TFP-Einheitszelle auf Basis von Finiten Elementen entwickelt. Mit Hilfe des RVE wird es erstmalig ermöglicht, die Dehnungs- und Spannungsverteilung sowie den lokalen Faservolumengehalt in TFP-basierten FKV zu berechnen und daraus wirklichkeitsnahe Materialkennwerte abzuleiten. Darüber hinaus wird anhand des RVE der Einfluss variierender TFP-Prozessparameter auf die resultierenden Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften analysiert. Weiterhin wird der Einfluss des unter Langzeitbelastung eintretenden Matrixkriechens auf die Materialeigenschaften von TFP-basierten FKV untersucht. Anhand der Entwicklungsschritte eines CFK-TMP-Rotordemonstrators werden die Besonderheiten beim Auslegungsprozess für Bauteile aus TFP-Strukturen verdeutlicht. Neben der Erläuterung der Lastfälle von TMP-Rotoren wird die Entwicklung eines lastfallangepassten Faserlayouts unter Berücksichtigung von geometrischen Restriktionen beschrieben. Im Rahmen der Spannungsanalyse auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) erfolgt die Integration der mittels des RVE bestimmten Materialdaten in das FE-Modell schichtweise, entsprechend der verwendeten TFP-Prozessparameter. Die mit dieser Vorgehensweise berechnete Versagensdrehzahl und die ermittelten Eigenfrequenzen konnten in experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden. Durch die Integration der ortsaufgelösten RVE-basierten Materialdaten wird erstmalig nicht nur die Struktursteifigkeit, sondern auch die Festigkeit ausgehend von einem variabelaxialen TFP-Ablagemuster in einem TFP-basierten Bauteil vorhergesagt. Mit dem entwickelten TMP-Rotordemonstrator kann die Versagensdrehzahl gegenüber dem Stand der Technik um 45 % gesteigert werden. In der Arbeit wird auch herausgestellt, welche Änderungen der Geometrie von TMP-Rotoren aus FKV nötig sind, um eine werkstoffgerechte, an die orthotropen Eigenschaften von FKV angepasste Gestaltung zu realisieren und damit die Nenndrehzahlen weiter steigern zu können. Diese Erkenntnisse dienen in verallgemeinerter Weise der werkstoffgerechten Auslegung und Fertigung von TFP-basierten FKV-Bauteilen.:Kurzfassung Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Einleitung 2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde 2.2.1 Einführung 2.2.2 Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze 2.3 Elastizitätstheorie 2.3.1 Spannungen 2.3.2 Verzerrungen 2.3.3 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz 2.4 Mechanik von rotationssymmetrisch belasteten Körpern 2.4.1 Herleitung der allgemeinen Zusammenhänge am Rotor 2.5 Berechnungsgrundlagen für Faser-Kunststoff-Verbunde 2.5.1 Faservolumengehalt und Dichte 2.5.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 2.5.3 Einfluss der Temperatur 2.5.4 Resultierende Eigenschaften der UD-Schicht 2.6 Festigkeitsnachweis von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7 Langzeitverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7.1 Kriechen und Relaxation 2.7.2 Einfluss der Langzeitbeanspruchung auf die Festigkeiten 2.7.3 Bestimmung der Langzeiteigenschaften 2.8 Finite-Elemente-Methode 2.9 Modalanalyse 2.9.1 Theoretische Grundlagen 2.9.2 Zyklische Symmetrie 2.9.3 Experimentelle Modalanalyse 2.10 Turbomolekularpumpen 2.10.1 Einleitung 2.10.2 Pumpmechanismus von Turbomolekularpumpstufen 3 Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis der TFP-Technologie 3.1 Anforderungen hinsichtlich der Freiheitsgrade bei der Faserablage für Rotoren in Blisk-Bauweise 3.2 Die Tailored Fiber Placement-Technologie 3.2.1 Einführung und Merkmale der TFP-Technologie 3.2.2 In der TFP-Technologie verarbeitete Materialien 3.2.3 Verfahrensgrenzen der TFP-Technologie 3.2.4 Nähfadengehalt in TFP-Laminaten 3.2.5 Faservolumengehalt von TFP-Laminaten 3.3 Infiltrationsverfahren für TFP-basierte Preformen 4 Mikromechanische Betrachtungen an TFP-basierten FKV 4.1 Einführung 4.2 Materialeigenschaften von TFP-Strukturen - Stand der Forschung 4.2.1 TFP-Strukturen in Kombination mit duromeren Matrizes 4.2.2 TFP-Strukturen in Kombination mit thermoplastischen Matrizes 4.3 Analyse der Morphologie von TFP-Strukturen 4.3.1 Rovingwelligkeit bei der Rovingablage 4.3.2 Schliffbildanalyse 4.4 Modellaufbau des Repräsentativen Volumenelementes 4.4.1 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter uniaxialer Zugbelastung in faserparalleler Richtung 4.4.2 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter Querzug- bzw. Schubbelastung 4.5 Übertragung der RVE-Ergebnisse auf variabelaxiale TFP-Strukturen 4.6 Langzeiteigenschaften von TFP-Strukturen 4.7 Zusammenfassung der ermittelten Materialeigenschaften von TFP-Strukturen 5 Entwicklung eines TFP-basierten TMP-Rotordemonstrators aus CFK 5.1 Einführung 5.2 Geometrische Randbedingungen und Lastfälle in TMP-Rotoren 5.2.1 Geometrie des TMP-Rotordemonstrators 5.2.2 Lastfälle von TMP-Rotoren 5.3 Bauweisendefinition und strukturmechanische Auslegung des TMP-Rotors 5.3.1 Analytische Vorbetrachtungen 5.3.2 Definition der Bauweise 5.3.3 Dimensionierung des TFP-CFK-Rotors mit Hilfe der FEM 5.3.4 Herstellung des TFP-CFK-Rotordemonstrators 5.4 Experimentelle Validierung 5.4.1 Ermittlung der Versagensfrequenz 5.4.2 Experimentelle Modalanalyse am TFP-CFK-Rotor 5.5 Einordnung der entwickelten TMP-Rotorbauweise 5.5.1 Ausnutzung des Werkstoffpotenzials 5.5.2 Übertragung der Ergebnisse auf andere TMP-Rotorbauweisen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang / The present work demonstrates the stiffness and strength design of fiber reinforced plastics (FRP) made by the Tailored Fiber Placement (TFP) technology using the example of a a turbo molecular pump (TMP) rotor made of carbon fiber reinforced epoxy resin (CFRP). In contrast to other textile preform manufacturing processes, the TFP technology enables the placement of reinforcement rovings in arbitrary direction according to an user defined design path. In this technology a double locked stitch in a zigzag stitch pattern is used to fixate the rovings. The fixation process leads to waviness and material inhomogeneities within the placed rovings resulting in reduced material properties in TFP-based fiber reinforced plastics. The wavinessinducing effects have been identified and quantified by detailed process analysis and morphological investigations. Subsequently, a meso-scaled representative volume element (RVE) of a TFP unit cell based on finite elements was developed. The RVE provides the opportunity to derive realistic material properties by calculating the stress and strain distribution as well as as the local fiber content in TFP-based FRP. In this work, the influence of different TFP process parameters on the resulting modulus and strength has been investigated using the RVE approach. Additionally, long term loading effects leading to a reduced matrix modulus were analyzed numerically with the RVE. Based on the development of the CFRP TMP rotor specific characteristics of the design process for components made of TFP are clarified. Besides the explanation of loading conditions of TMP rotors the progress of a load-adapted fiber layout considering geometrical restrictions is demonstrated. For the stress analysis based on the Finite Element Method (FEM) material data calculated with the RVE according to the applied TFP process parameters have been integrated into the FE model. The numerically determined failure speed and the calculated eigenfrequencies were successfully validated by experimental tests. By implementing TFP specific material data in the FE model, both, the strucural rigidity as well as the strength, were predicted for the first time in a TFP-based component. Compared to the state-of-the-art, the developed TMP rotor offers an increased failure speed by 45 %. Furthermore necessary geometric modifications for FRP based TMP rotors in order to achieve a material-specific design adapted to the orthotropic material properties and thus to further increase the nominal rotational speeds were shown. These findings provide in a generalized way for a material-specific design of TFP-based FRP components.:Kurzfassung Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Einleitung 2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde 2.2.1 Einführung 2.2.2 Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze 2.3 Elastizitätstheorie 2.3.1 Spannungen 2.3.2 Verzerrungen 2.3.3 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz 2.4 Mechanik von rotationssymmetrisch belasteten Körpern 2.4.1 Herleitung der allgemeinen Zusammenhänge am Rotor 2.5 Berechnungsgrundlagen für Faser-Kunststoff-Verbunde 2.5.1 Faservolumengehalt und Dichte 2.5.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 2.5.3 Einfluss der Temperatur 2.5.4 Resultierende Eigenschaften der UD-Schicht 2.6 Festigkeitsnachweis von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7 Langzeitverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7.1 Kriechen und Relaxation 2.7.2 Einfluss der Langzeitbeanspruchung auf die Festigkeiten 2.7.3 Bestimmung der Langzeiteigenschaften 2.8 Finite-Elemente-Methode 2.9 Modalanalyse 2.9.1 Theoretische Grundlagen 2.9.2 Zyklische Symmetrie 2.9.3 Experimentelle Modalanalyse 2.10 Turbomolekularpumpen 2.10.1 Einleitung 2.10.2 Pumpmechanismus von Turbomolekularpumpstufen 3 Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis der TFP-Technologie 3.1 Anforderungen hinsichtlich der Freiheitsgrade bei der Faserablage für Rotoren in Blisk-Bauweise 3.2 Die Tailored Fiber Placement-Technologie 3.2.1 Einführung und Merkmale der TFP-Technologie 3.2.2 In der TFP-Technologie verarbeitete Materialien 3.2.3 Verfahrensgrenzen der TFP-Technologie 3.2.4 Nähfadengehalt in TFP-Laminaten 3.2.5 Faservolumengehalt von TFP-Laminaten 3.3 Infiltrationsverfahren für TFP-basierte Preformen 4 Mikromechanische Betrachtungen an TFP-basierten FKV 4.1 Einführung 4.2 Materialeigenschaften von TFP-Strukturen - Stand der Forschung 4.2.1 TFP-Strukturen in Kombination mit duromeren Matrizes 4.2.2 TFP-Strukturen in Kombination mit thermoplastischen Matrizes 4.3 Analyse der Morphologie von TFP-Strukturen 4.3.1 Rovingwelligkeit bei der Rovingablage 4.3.2 Schliffbildanalyse 4.4 Modellaufbau des Repräsentativen Volumenelementes 4.4.1 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter uniaxialer Zugbelastung in faserparalleler Richtung 4.4.2 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter Querzug- bzw. Schubbelastung 4.5 Übertragung der RVE-Ergebnisse auf variabelaxiale TFP-Strukturen 4.6 Langzeiteigenschaften von TFP-Strukturen 4.7 Zusammenfassung der ermittelten Materialeigenschaften von TFP-Strukturen 5 Entwicklung eines TFP-basierten TMP-Rotordemonstrators aus CFK 5.1 Einführung 5.2 Geometrische Randbedingungen und Lastfälle in TMP-Rotoren 5.2.1 Geometrie des TMP-Rotordemonstrators 5.2.2 Lastfälle von TMP-Rotoren 5.3 Bauweisendefinition und strukturmechanische Auslegung des TMP-Rotors 5.3.1 Analytische Vorbetrachtungen 5.3.2 Definition der Bauweise 5.3.3 Dimensionierung des TFP-CFK-Rotors mit Hilfe der FEM 5.3.4 Herstellung des TFP-CFK-Rotordemonstrators 5.4 Experimentelle Validierung 5.4.1 Ermittlung der Versagensfrequenz 5.4.2 Experimentelle Modalanalyse am TFP-CFK-Rotor 5.5 Einordnung der entwickelten TMP-Rotorbauweise 5.5.1 Ausnutzung des Werkstoffpotenzials 5.5.2 Übertragung der Ergebnisse auf andere TMP-Rotorbauweisen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang

L’intérêt croissant de l’industrie aéronautique pour les matériaux composites favorise le développement de procédés de mise en œuvre rapides et automatisés. Technologie approuvée pour la réalisation de stratifiés à matrice thermodurcissable, les cellules de placement de fibres de la société Coriolis Composites permettent la fabrication de pièces stratifiées aux formes et dimensions variées. Ne nécessitant pas de polymérisation longue et onéreuse en autoclave tout en répondant aux nouvelles règlementations environnementales et aux besoins thermomécaniques spécifiques, les composites thermoplastiques sont une issue aux nouveaux enjeux du monde du transport. Le procédé s’appuie sur la technologie des lasers à diodes générant les densités de puissance nécessaires à la fusion des matrices thermoplastiques. Les travaux présentés s’inscrivent à la croisée de ces trois technologies en fort devenir : procédé de placement de fibres, matrice thermoplastique et laser à diodes. Ils sont menés dans le cadre du projet IMPALA (Innovation Matériaux et Procédés avec plAcement de fibres LAser) labellisé FUI 11, et, ont pour objectif de modéliser le procédé par l’expérimentation et la simulation. Le matériau composite étudié dans le cadre de cette thèse est l’APC-2/AS4 de la société Cytec Engineering Materials, pré-imprégné constitué de fibres de carbone et d’une matrice thermoplastique PEEK. Trois modèles numériques sont développés : (i) une modélisation optique fondée sur un algorithme de lancer de rayons permettant de déterminer la distribution du rayonnement laser sur la matière, (ii) une modélisation thermique renvoyant les champs de température au sein du stratifié en cours de drapage et (iii) une modélisation rhéologique afin d’étudier la déformation de la matière et la qualité du soudage des différents plis. Le développement de ces modèles s’appuie sur une caractérisation du procédé notamment du faisceau laser permettant la chauffe synchrone des fibres acheminées et des plis précédemment déposés et du module de compactage constitué d’un rouleau souple épousant la surface de drapage. Des données matériaux telles que les indices de réfractions, l’émissivité ou la viscosité sont également déterminées par voie expérimentale ou homogénéisation. En parallèle, des campagnes de mesures par thermocouples et radiométrie sont réalisées pour mieux comprendre les phénomènes thermiques dans la zone de chauffe et au sein du stratifié. Les confrontations entre ces mesures et les prédictions numériques renvoyant de bonnes corrélations, le modèle optico- thermique peut alors être exploité afin d’établir l’influence de différents paramètres sur le procédé et de proposer de solutions d’asservissement entre la puissance du laser et la vitesse de drapage. Enfin, une étude par spectroscopie infrarouge permet d’étendre une cinétique de dégradation du matériau au cas transitoire adapté au procédé de placement de fibres. / Aeronautic industry demonstrates a growing interest in composite materials and development of quick and automated manufacturing processes. Automated Fiber Placement (AFP) process is a certified technology to achieve laminate structure with thermoset composites. Coriolis Composites Company develops robotic cells for fiber placement enabling the laying of continuous fibers in all directions and on complex geometrical surfaces. Thermoplastic (TP) matrix composites are currently a promising alternative for making structures for transport applications. They do not actually require long and expensive curing step in autoclave and would meet the sustainable requirements and expect thermo-mechanical behavior. AFP process bases on high power diode lasers required to melt the TP polymers. The presented work is located at the crossroads of three technologies with a bright future: AFP process, TP matrix composite and diode lasers. It have been carried out within the framework of the IMPALA project with the aim of modeling process by experiments and numerical simulations. APC-2/AS4 from Cytec Engineering Materials is the composite material of the study. It consists of a pre-impregnated composite with carbon fibers and TP PEEK matrix. Three models developed in this study are: (1) an optical model based on a raytracing algorithm to quantify the laser distribution on materials, (2) a thermal model to calculate the thermal field in laminate structure during layup, and (3) a rheological model in order to study the squeezing and bonding of plies. These models base on a characterization of the process, including the laser beam (that heats both fed tows and previous layed plies) and the compaction system (formed by a deformable roller that molds the lay-up surface). Material data like refractive index, emissivity or viscosity are determined by experiments or homogenization method. Experimental measurements are simultaneously realized with thermocouples and infrared cameras to understand thermal phenomena in heating zone and laminate. These measures correlate well with numeric predictions. The optical-thermal model is used to study the influence of process parameters and suggest loops between laser power and lay-up velocity. A FTIR spectroscopic study have finally improved in transient condition for thermal degradation.

Le procédé de placement de fibres automatisé (AFP) a démontré depuis longtemps ses nombreux atouts pour la fabrication de grandes structures de géométries complexes et variées en matériaux composites. Cependant, un des freins de ce procédé est lié aux singularités pouvant apparaitre lors de l’optimisation des trajectoires de drapage. Dans le cadre de ces travaux de recherche, il a été entrepris de déterminer l’influence de la présence de ces singularités tant au niveau de la microstructure que des propriétés mécaniques. Des singularités de nature et de géométrie différentes telles que des gaps et overlaps ont ainsi été introduites volontairement au sein de stratifiés en carbone – époxy drapées par le procédé de placement de fibres automatisé. Leur influence sur différentes configurations d’empilement a été mesurée grâce à la réalisation de nombreux essais mécaniques permettant de déterminer les propriétés dans le plan (traction, compression et cisaillement plan) et des propriétés hors axes (cisaillement interlaminaire, délaminage en mode 1 et en mode 2). Ces premiers essais réalisés à l’échelle d’éprouvette ont été étendus à l’échelle d’une plaque en composite sollicitée sous pression afin de se rapprocher d’un élément de structure. L’ensemble des résultats a mis en évidence un effet local des singularités qui peut être accentué ou non en fonction des conditions de mise en oeuvre. En effet, la présence d’une contre plaque lors de l’étape de cuisson en autoclave permet un mouvement de la matière qui, en fonction de ses propriétés intrinsèques, entraîne une cicatrisation complète ou partielle des singularités diminuant ainsi leur influence. La connaissance des limitations du procédé de placement de fibres automatisé peut permettre d’ouvrir de nouvelles perspectives d’avenir et de challenge dans la fabrication de structures composites. De nouvelles possibilités de drapage de matériaux biocomposites réalisés à partir de fibres de lin et de matières thermoplastiques sont ainsi envisagées à la fin de ces travaux. / Automated fibre placement (AFP) shows great potential for the manufacture of large complex composite structures. However, one of the factors limiting more widespread applications of this process is the appearance of singularities when lay-up trajectories are optimized. In this study the influence of geometrical singularities has been studied, both in terms of microstructure and mechanical properties. Different types of singularity, gaps and overlaps, have been deliberately introduced into carbon - epoxy laminates by AFP. Their influence has been evaluated by mechanical testing, both in-plane (tension, compression, shear), and out of plane (interlaminar shear, mode I and mode II delamination). A test has then been developed to simulate the response of a small structure, by transverse pressure loading of plates with and without singularities. Overall, the results show a local effect of these defects on the microstructure which can be accentuated by manufacturing conditions. The use of a caul plate allows local material movements which can result in healing of defects during autoclave cure. The understanding of the AFP process acquired here has enabled new possibilities for manufacturing to be developed. A preliminary study of flax fibre reinforced thermoplastic has been performed, which shows promise for the development of complex biocomposite structures.

Seitdem Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) als Leichtbauwerkstoffe für Hochleistungsanwendungen im Luftfahrzeug-, Automobil- und Sportgerätebau eingesetzt werden, erfolgt dies vorrangig mit Hilfe multiaxialer Mehrlagenlaminate. Vergleichsweise neue Fertigungstechnologien, wie die Tailored Fiber Placement (TFP-)Technologie, eröffnen jedoch die Möglichkeit einer gekrümmten, auch als variabelaxial bezeichneten, Ablage von Verstärkungsfäden. Der zugewonnene Freiheitsgrad, den Verstärkungsfasern an jeder beliebigen Stelle eine neue Richtung zuweisen zu können, bedingt aber auch ein komplexes Verständnis für eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Faserverbundbauteilen. Ziel ist es dabei, die Fäden so zu orientieren, dass sie die angreifenden mechanischen Lasten mit einer möglichst gleichmäßigen Beanspruchung übertragen und das notwendige Matrixmaterial nur geringen Belastungen ausgesetzt ist. Nach einer Analyse bestehender theoretischer Auslegungsstrategien werden Vor- und Nachteile von reinen Materialoptimierungsansätzen bzw. in Kombination mit einer vorgeschalteten Topologieoptimierung diskutiert. Experimentelle Nachweise werden am Beispiel einer Zugscheibe mit ungleich breiten Einspannbereichen und einem steifigkeitsdimensionierten Fahrradbauteil (Brake Booster) erbracht. Dabei wird insbesondere das hohe Leichtbaupotential einer topologisch optimierten variabelaxialen FKV-Struktur gegenüber einer multiaxialen Laminatgestaltung herausgestellt. Anhand der TFP-Prozesskette wird deutlich gemacht, dass für eine numerische Auslegung variabelaxialer Strukturbauteile neue Softwarewerkzeuge sowie ein hinreichend genaues Analysemodell notwendig sind. Mit Hilfe des in der vorliegenden Arbeit entwickelten Softwarewerkzeugs AOPS kann die Auslegung beanspruchungsgerechter Strukturbauteile zukünftig effizienter erfolgen. Einen wesentlichen Bestandteil bildet dabei der vorgestellte Modellierungsansatz für die Finite Elemente Analyse. Damit ist es erstmals möglich ausgehend von einem beliebigen TFP-Ablagemuster, die spätere Struktursteifigkeit eines komplexen variabelaxialen TFP-Bauteils vorauszusagen. Der entwickelte Modellansatz konnte anhand der durchgeführten experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden.

Seitdem Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) als Leichtbauwerkstoffe für Hochleistungsanwendungen im Luftfahrzeug-, Automobil- und Sportgerätebau eingesetzt werden, erfolgt dies vorrangig mit Hilfe multiaxialer Mehrlagenlaminate. Vergleichsweise neue Fertigungstechnologien, wie die Tailored Fiber Placement (TFP-)Technologie, eröffnen jedoch die Möglichkeit einer gekrümmten, auch als variabelaxial bezeichneten, Ablage von Verstärkungsfäden. Der zugewonnene Freiheitsgrad, den Verstärkungsfasern an jeder beliebigen Stelle eine neue Richtung zuweisen zu können, bedingt aber auch ein komplexes Verständnis für eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Faserverbundbauteilen. Ziel ist es dabei, die Fäden so zu orientieren, dass sie die angreifenden mechanischen Lasten mit einer möglichst gleichmäßigen Beanspruchung übertragen und das notwendige Matrixmaterial nur geringen Belastungen ausgesetzt ist. Nach einer Analyse bestehender theoretischer Auslegungsstrategien werden Vor- und Nachteile von reinen Materialoptimierungsansätzen bzw. in Kombination mit einer vorgeschalteten Topologieoptimierung diskutiert. Experimentelle Nachweise werden am Beispiel einer Zugscheibe mit ungleich breiten Einspannbereichen und einem steifigkeitsdimensionierten Fahrradbauteil (Brake Booster) erbracht. Dabei wird insbesondere das hohe Leichtbaupotential einer topologisch optimierten variabelaxialen FKV-Struktur gegenüber einer multiaxialen Laminatgestaltung herausgestellt. Anhand der TFP-Prozesskette wird deutlich gemacht, dass für eine numerische Auslegung variabelaxialer Strukturbauteile neue Softwarewerkzeuge sowie ein hinreichend genaues Analysemodell notwendig sind. Mit Hilfe des in der vorliegenden Arbeit entwickelten Softwarewerkzeugs AOPS kann die Auslegung beanspruchungsgerechter Strukturbauteile zukünftig effizienter erfolgen. Einen wesentlichen Bestandteil bildet dabei der vorgestellte Modellierungsansatz für die Finite Elemente Analyse. Damit ist es erstmals möglich ausgehend von einem beliebigen TFP-Ablagemuster, die spätere Struktursteifigkeit eines komplexen variabelaxialen TFP-Bauteils vorauszusagen. Der entwickelte Modellansatz konnte anhand der durchgeführten experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden.

Fiber orientation angle stands out as one of the most effective design variables in the design optimization of composite structures. During the manufacturing of the composite structures, one can change the fiber orientation according to the specific design needs and constraints to optimize a pre-determined performance index. Fiber placement machines can place different width tows in curvilinear paths resulting in continuous change of the fiber orientation angle in a layer of the composite structure. By allowing the fibers to follow curvilinear paths in the composite structure, modification of load paths within the laminate can be obtained. Thus, more favorable stress distributions and improved laminate performance can be achieved. Such structures are called as variable stiffness composites structure. This thesis presents a fundamental study on the discrete fiber angle and continuous fiber path optimization of composite structures. In discrete fiber angle optimization, application of different analysis/optimization tools is demonstrated for optimum fiber angle optimization at the element level for both orthotropic and laminated composite structures. In the continuous fiber path optimization, which can be produced with fiber placement machines, optimized fiber paths are determined for different case studies. Continuous fiber path optimization is performed by means of an interface code that is developed. It is hard to find the global optimum for complex optimization problems with hundreds of design variables. In order to find the global optimum solution for such complex optimization problems, a gradient based optimization algorithm is not appropriate because there will be a lot of local minima for the problem and gradient based optimization algorithms may be stuck at the local minimums. Therefore, an evolutionary algorithm is a better solver for such kind of complex optimization problems. In this thesis, genetic algorithm, an evolutionary algorithm, in MATLAB Optimization Toolbox is used for the optimizer and commercial finite element program Nastran is used for the structural solver. For the continuous fiber path optimizations these two programs are integrated with the interface code that is developed. Manufacturing constraints of a typical fiber placement machine is also included in the constraint definition of continuous fiber path optimization. By coupling of Nastran finite element solver and MATLAB genetic algorithm tool, with the manufacturing constraint for the fiber placement machines, the first buckling load of a continuous fiber composite plate is increased %22 with respect to a composite plate with zero degree orientations.