Der Einsatz kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe im Strukturleichtbau ziviler Luftfahrzeuge wird erheblich durch Produktionsautomatisierung getrieben. Einzelne Komponenten der für die Verarbeitung der duroplastischen Werkstoffe genutzten Automated-Fiber-Placement Anlagen bieten jedoch noch erhebliches Potential für die Steigerung der Leistungsfähigkeit des Prozesses. Insbesondere ist der prozessspezifische Entwicklungs- und Kenntnisstand des Erwärmungssystems gegenüber der Verfahrensvariante mit thermoplastischen Werkstoffen weniger fortgeschritten. So weisen die dort genutzten Diodenlaser Vorteile in der Reaktionszeit, der Homogenität der Erwärmung und ihrer Regelbarkeit gegenüber den im AFP genutzten Infrarotstrahlern auf. Letztere haben jedoch einen geringeren Bauraumbedarf sowie geringere Kosten und Sicherheitsanforderungen.
Um die Vorteile beider Erwärmungssysteme für das AFP zu kombinieren, wurde in dieser Arbeit ein neuartiges Erwärmungssystem entwickelt. Kernstück des Lösungsansatzes ist dabei die Nutzung von LEDs als Strahlungsquellen. Grundlegende Prozess- und Materialuntersuchungen ermöglichen die Auswahl geeigneter LEDs und deren Anordnung zu einem prozessgerechten LED-Strahler. Dessen anlagentechnische Integration zu einer Strahlereinheit ermöglicht eine aktive Kontrolle des Profils der abgegebenen Strahlung, um ohne weitere Hilfsmittel eine Anpassung an unterschiedliche Prozessgegebenheiten zu erlauben. Zur Erprobung wurde die Strahlereinheit in eine Versuchsumgebung, welche den AFP-Prozess vereinfachend auf Labormaßstab abbildet, integriert. Die Baumraumbeschränkungen üblicher Infrarotstrahlersystem finden hierbei Berücksichtigung. In der Erprobung wurden bidirektionale Laminate hergestellt und die erzielte Oberflächentemperatur gemessen. Dabei zeigte sich, dass das neuartige Erwärmungssystem sehr gut geeignet ist, den benötigten Wärmeeintrag für den Prozess zuverlässig zu liefern. Anschließend wurde in weiteren Versuchen festgestellt, dass das vorliegende System prinzipiell bereits in der Lage ist, den Anforderungen eines industriellen Prozesses in puncto erzielbarer Ablegegeschwindigkeit gerecht zu werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Reaktionszeit beim Anfahren und Stoppen des Ablegekopfes durch eine aktive Kontrolle des Profils der abgegebenen Strahlung kurzgehalten und so ein sehr gut kontrollierbares Erwärmungsverhalten erzielt werden kann.
Da für eine robuste Prozessgestaltung auch eine präzise Vorhersage der Erwärmung des Materials vonnöten ist, wurde ein numerischen Modell des Energieeintrags und der dadurch verursachten Erwärmung entwickelt. Dabei war es zudem das Ziel, die lokale Verteilung des eingebrachten Wärmestroms zu analysieren und mit dem neuartigen Erwärmungssystem vorhersehbar zu beeinflussen. Dazu wurde ein optisches Modell entwickelt, welches auf numerischer Basis den Energieeintrag jeder einzelnen LED in das Substrat zu bestimmen gestattet. In der anschließenden Simulation wurde eine Konfiguration ermittelt, welche eine nahezuhomogene Verteilung der eingebrachten Wärmeleistung über der bestrahlten Fläche ermöglicht. Die Berechnungsergebnisse konnten zudem auf rein optischer Basis mit sehr guter Übereinstimmung experimentell validiert werden. Der so bestimmte Wärmestrom wurde zudem als Eingangsgröße für ein Prozessmodell der Erwärmung genutzt. Für dieses Prozessmodell wurde ein erweiterter zweidimensionaler Ansatz genutzt, um den dreidimensionalen Erwärmungsvorgang effizient abzubilden. In der abschließenden Validierung zeigte sich eine prinzipiell hohe Übereinstimmung von Theorie und Experiment. Die Fähigkeit des neuartigen LED-Erwärmungssystems, die Temperaturgradienten normal zur Ablegerichtung im bestrahlten Substrat gezielt einstellen zu können, wurde dabei bestätigt.
Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte, neuartige LED-Erwärmungssystem ermöglicht durch die Kombination der Vorteile von Infrarotstrahlern und Diodenlasern wesentliche Fortschritte für die Weiterentwicklung des industriellen AFP. So ergeben sich durch die Verwendung standardisierter LEDs und dem damit ermöglichten flexiblen Aufbau des Erwärmungssystems Möglichkeiten zur Kostensenkung in der Entwicklung neuer Ablegeanlagen. Der Betrieb und die Wartung solcher Anlagen kann zudem energieeffizienter und damit günstiger gestaltet werden. Weiterhin ergibt sich durch die zuverlässigere Messung der Temperatur die Möglichkeit, robustere Regelkreise zu integrieren. Dies wird weiter begünstigt durch die schnelle Reaktion der Strahlungsquellen, was zudem eine Reduktion der Fertigungszeit insbesondere bei komplexen Bauteilen ermöglicht.:1 Einleitung und Motivation
2 Stand der Technik
2.1 Faser-Kunststoff-Verbunde in der Luftfahrt
2.2 Automatisierte Ablegeverfahren
2.3 Bestehende Erwärmungssysteme für Ablegeverfahren
2.4 LEDs als Strahlungsquellen
2.5 Vergleich der Erwärmungssysteme
3 Entwicklung eines LED-basierten Erwärmungssystems
3.1 Anforderungen, Rahmenbedingungen und Zielgrößen
3.1.1 Anforderungen
3.1.2 Rahmenbedingungen
3.1.3 Zielgrößen
3.2 Anlagenkonzept
3.3 Entwicklung eines LED-Strahlers
3.3.1 Prozessmodell zur Auslegung
3.3.2 Spektrales Absorptionsverhalten des Materials
3.3.3 Auswahl geeigneter LEDs
3.3.4 Anordnung der LEDs zu einem LED-Strahler
3.4 Weitere Komponenten und Integration des LED-Strahlers
3.4.1 Aufbau einer Steuereinheit
3.4.2 Aufbau eines Versuchsstands
3.4.3 Montagekörper der LED-Strahlereinheit
3.4.4 Integration des Erwärmungssystems
3.5 Erprobung des Erwärmungssystems
3.5.1 Ablegeversuche
3.5.2 Variieren von Geschwindigkeit und Leistung
3.5.3 Einstellen der Reaktionszeit
3.6 Ergebnisdiskussion
4 Prozessmodell zum optischen Energieeintrag
4.1 Modellentwicklung
4.1.1 Modellannahmen
4.2 Numerische Implementation
4.2.1 Abbilden der diskreten Geometrie
4.2.2 Berechnen des Wärmestroms, der Wärmestromdichte und der Bestrah-
lungsstärke
4.3 Simulieren unterschiedlicher Eingangsverteilungen
4.3.1 Eingangsverteilung aus Auslegung und Ablegeversuchen
4.3.2 Einstellen unterschiedlicher Verteilungen
4.4 Validierung
4.4.1 Versuchsaufbau und -durchführung
4.4.2 Auswertung
5 Prozessmodell des Erwärmungsvorgangs
5.1 Modellentwicklung und Materialparameter
5.1.1 Anforderungen und Annahmen
5.1.2 Materialparameter
5.2 Implementierung und Berechnung
5.2.1 Implementierung
5.2.2 Berechnung und Simulationsergebnisse
5.3 Validierung des thermischen Modells
5.3.1 Methodik und Versuchsaufbau
5.3.2 Auswertung und Vergleich mit Simulationsergebnissen
6 Potenzialanalyse zum Einsatz des LED-Erwärmungssystems
6.1 Kostensenkung in der Anlagenentwicklung und im Betrieb
6.2 Verbesserung der Prozesskontrolle
6.3 Verkürzung der Prozesszeit
7 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:74253 |
| Date | 26 March 2021 |
| Creators | Orth, Tilman |
| Contributors | Modler, Niels, Drechsler, Klaus, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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