Fraunhofer-Gesellschaft

Publica

Hier finden Sie wissenschaftliche Publikationen aus den Fraunhofer-Instituten.

Preform manufacturing and handling for the mass production of composites

Preformherstellung und Handhabung für die Serienfertigung von Faserverbundstrukturbauteilen
 
: Brecher, C.; Emonts, M.; Ozolin, B.; Schnabel, A.; Greb, C.

Küppers, B. ; TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik -ITM-:
6th Aachen-Dresden International Textile Conference 2012. Proceedings. CD-ROM : Dresden, November 29-30, 2012
Dresden, 2012
Paper CO-14, 3 pp.
Aachen-Dresden International Textile Conference <6, 2012, Aachen>
English
Conference Paper
Fraunhofer IPT ()

Abstract
Fibre-reinforced plastics (FRP) are becoming increasingly relevant as a construction material and are key to energy- and material-efficient use of resources. To allow large-series production of components made from such materials, the whole production chain must be completely automated. Key elements for realization of a cost-efficient large-series production chain for fibre-reinforced plastic components are the manufacture of near-net shape three-dimensional preforms and handling of the semi-finished products. In the context of the research group 860, the Institute for Textile Technology (ITA), Institute of Plastics Processing (IKV) of the RWTH Aachen University and the Fraunhofer Institute for Production Technology IPT have developed and analyzed new technologies to meet these challenges. By means of locally adapted multi-axial scrim, which is automatically processed into near-net shape three-dimensional preforms, a cost-efficient and reliable manufacturing of FRP blanks can be achieved. These multi-axial scrims - so-called Tailored NCF (Non-Crimp Fabrics) are adapted to the following process steps by integration of local reinforcements (thickness variations) as well as locally adapted drapability and a high layer count. Another challenge to meet is the handling within the production chain. For this purpose new gripper kinematics and gripper technologies, such as the electrostatic gripper, were researched and developed. The developed gripper kinematics are based on the fin-ray principle and allow adaptation to curved shaped. One of the advantages of this technology is the fact that no actuators with corresponding feedback control mechanisms are required. Furthermore, these kinematics allow automatic adaptation to given concave and convex contours. This makes the construction of cost-efficient handling systems which require no adjustments for changed geometries possible, allowing for many geometries to be integrated into one automated production chain. Examples for such geometries are the rotor blades on wind turbines, wings and hull structure on aircraft or hull structures for watercraft. Besides the adaptation to different geometries, gripper technologies such as the electrostatic gripper were researched and analyzed. This gripper polarizes the handled object and hence induces a gripping force. For this purpose different potentials are applied to the gripper electrode, resulting in an electrical field. This field shifts the charge concentration within the handled object, resulting in attractive forces between the gripped object and the gripper. These forces are almost completely evenly distributed over the gripper surface. The new electrostatic system allows reliable and damage-free handling of air-permeable and easily deformed textile blanks for the first time. Textiles with a grammage of up to 800 g/m2 were successfully lifted with the new gripper system. Release of the handled good is achieved with the newly introduced multi-potential power source and a switching sequence which reliably minimizes the occurring oriented polarization as well as the resulting parasitic attractive forces. This ensures a reproducible and reliable release of the gripped good regardless of the material being handled. The electrostatic gripper technology offers high potential for improving the handling process in the production of fibre-reinforced components, as the system offers many advantages over the existing handling technologies. The gripping technology utilizes evenly distributed surface attraction and can hence handle goods without distortion or shifting. Additionally the handled goods can be separated from stacks reliably. Furthermore, the activation of different gripper cluster allows selective pick-up of variable shapes. This allows a handling of changing cutting geometries through targeted control of the gripper.

 

Faserverbundkunststoffe (FVK) gewinnen aufgrund der exzellenten Eigenschaften zunehmend an Relevanz als Konstruktionswerkstoff und sind ein Schlüsselelement zum energieeffizienten und ressourcenschonenden Umgang mit Rohstoffen. Um diese in Großserie herstellen zu können, muss die komplette Prozesskette automatisiert abgebildet werden. Dabei sind die automatisierte Herstellung von endkonturnahen dreidimensionalen Preforms sowie die Handhabung der Halbzeuge Schlüsselelemente, um die großserientaugliche und kosteneffiziente Fertigung von Faserverbundkunststoffbauteilen zu ermöglichen. Am Institut für Textiltechnik (ITA), am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen University und am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT wurden im Rahmen einer Kooperation innerhalb der Forschergruppe 860 neue Technologien entwickelt und analysiert, um diese Herausforderung zu lösen. Durch lokal angepasste Multiaxialgelege, welche automatisiert zu endkonturnahen dreidimensionalen Preforms weiterverarbeitet werden, kann eine wirtschaftliche und prozesssichere Herstellung der Halbzeuge erreicht werden. Diese Multiaxialgelege - sogenannte Tailored NCF (Non-Crimp Fabrics) - sind an die nachfolgenden Prozessschritte angepasst und verfügen hierzu über lokale Verstärkungen (Dickensprünge), eine lokal angepasste Drapierbarkeit sowie eine hohe Lagenanzahl. Eine weitere Herausforderung in der automatisierten Herstellungsprozesskette ist die Handhabung. Hierfür wurden neue Greiferkinematiken und neue Greifmechanismen, wie der elektrostatische Greifer, erforscht und weiterentwickelt. Die entwickelte Greiferkinematik basiert auf dem Flossenstrahl-Prinzip und ermöglicht so eine Anpassung an gekrümmte Formen. Der Vorteil dieses Prinzips ist, dass keine Aktuatorik mit Regelkreisen benötigt wird. Zudem ist eine selbstständige Anpassung an vorgegebene konkave und konvexe Konturen möglich. Hierdurch kann ein kostengünstiges System aufgebaut werden, welches zudem bei wechselnden Geometrien nicht angepasst oder eingestellt werden muss. Damit können viele Formen zur Herstellung von Faserverbundbauteilen in eine automatisierte Prozesskette integriert werden. Beispiele hierfür sind die Rotorblätter von Windkraftanlagen, Tragflächen und Rumpfstruktur von Luftfahrzeugen oder Rumpfstrukturen von Wasserfahrzeugen. Neben der Anpassung an wechselnde Geometrien werden auch Greifermechanismen wie der elektrostatische Greifer betrachtet. Dieser polarisiert das aufzunehmende Halbzeug und induziert hierdurch eine Greifkraft. Hierfür wird eine Greifelektrode mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt, wodurch ein elektrisches Feld ausgebildet wird. Durch dieses werden Ladungsschwerpunkte im Greifgut verschoben und damit das Greifgut von der Greiferelektrode angezogen. Dabei wirken quasiflächige Anziehungskräfte zwischen Greifer und Halbzeug. Das neue elektrostatische System ermöglicht erstmals die zuverlässige und beschädigungsfreie Handhabung von luftdurchlässigen sowie von leicht deformierbaren textilen Halbzeugen. So konnten bereits Halbzeuge mit einem Flächengewicht bis 800 g/m2 angehoben werden. Die Ablage des Greifguts wird mithilfe der neu eingeführten Multipotentialquelle und Schaltsequenz realisiert, wodurch auftretende Orientierungspolarisationen sowie die daraus resultierenden parasitären Greifkräfte zuverlässig minimiert werden. Hierdurch kann erstmals ein reproduzierbarer Ablöseprozess unabhängig vom Material des Greifguts gewährleistet werden. Das elektrostatische Greifen besitzt ein hohes Potenzial, den Handhabungsprozess in der Produktion von Faserverbundbauteilen zu verbessern, da dieses System im Vergleich zu bestehenden Handhabungsmechanismen viele Vorteile aufweist. Das Greifprinzip bildet Oberflächenkräfte aus und kann dadurch verzugsfrei handhaben. Zudem lässt sich Greifgut zuverlässig von Stapeln separieren. Darüber hinaus kann durch eine gezielte Ansteuerung von mehreren Greifclustern eine Aufnahme von variablen Zuschnitten realisiert werden. Damit können wechselnde Zuschnittsgeometrien durch gezielte Ansteuerung mit einem Greifer gehandhabt werden.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-226560.html