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2011
Report
Titel
3D-ThermoLay: Laserunterstütztes thermoplastisches Prepreglegen zur Fertigung von komplexen Faserverbundstrukturbauteilen
Titel Supplements
Abschlussbericht zum InnoNet-Projekt "IN-6518". Laufzeit des Projekts: 01. Januar 2008 - 31. Mai 2011. Förderkennzeichen BMWi 16IN0571
Abstract
Es wurde ein Tapelegekopfsystem entwickelt, welches die gleichzeitige Ablage mehrerer Tapes auf 3D-Werkzeugflächen ermöglicht. Dazu wurde ein Tapelegekopf mit den entsprechenden Teilfunktionen konzipiert, konstruiert und aufgebaut. Nach der Montage des Tapelegekopfs und der Inbetriebnahme sind erste Laminate auf ebenen Flächen erzeugt worden, deren hohe Verarbeitungsqualität eine Übertragung der Prozesseinstellungen und -parameter auf 3D-Werkzeugflächen ermöglicht. Innerhalb von Prozessuntersuchungen ist neben der Ableitung von Prozessanforderungen ein Demonstratorbauteil definiert worden, anhand dessen die Grenzen der Technologie auf 3D-Flächen bestimmt werden können. Das Werkzeug ist innerhalb des Projekts konstruiert, gefertigt und auf einen drehbaren Werkzeugunterbau montiert worden, sodass ein 3D-Bauteil mit mehreren Faserwinkeln hergestellt werden kann. Darüber hinaus ist mit Hilfe von verschiedenen wachshaltigen Trennmitteln versucht worden, eine industrietaugliche Erstlagenfixierung zu realisieren, mit der die erste Laminatschicht auf der Werkzeugform fixiert werden kann und nach Fertigstellung des Gesamtbauteils leicht entnommen werden kann. Die zur Ablage benötigten Bewegungen des Tapelegekopfs über die Werkzeugoberfläche sind von einer CAD/CAM-Kopplung erzeugt und von der Robotersteuerung umgesetzt worden, sodass der Roboter den Tapelegekopf entsprechend der Werkzeuggeometrie bewegen kann. Nach dem Aufbau und der Inbetriebnahme des Gesamtsystems sind mit der 3D-Werkzeugform Prozessuntersuchungen durchgeführt worden, in der die Funktionalität des Ablegesystem sowie der entwickelten Prozesstechnik nachgewiesen werden konnte. Innerhalb des Projekts konnte grundsätzlich der Nachweis geführt werden, dass der Ansatz für die Herstellung von endlosfaserverstärkten 3D-Bauteilen mittels mehreren und schmalen Bändern sehr potentialträchtig ist und eine flächenbündige und spaltfreie Ablage auch bei nicht abwickelbaren Geometrien zu erzielen ist.
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Within the research project 3D-ThermoLay the Fraunhofer IPT has developed a completely new tape placement system especially for the manufacturing of three-dimensional fibre-reinforced components. The tape placement unit is a modular end-effector for robot systems to produce multi-layered parts based on fibre-reinforced thermoplastic tapes. The required main components of a laser-assisted tape placement unit are a laser guidance system with laser source, fibre optic cable with usually circular cores, laser zoom-optics, thermal camera for temperature-based control of the laser power and laser power control unit to heat up the thermoplastic tapes to their fusion temperature within their contact zone. During the manufacturing process the tape placement unit is moved along a mould to lay down the tapes and to consolidate the layers in situ to a rigid lightweight component by a consolidation roller. Because of the high stiffness of wider tapes (e.g. tape width of 25mm) within the tape placement system six smaller tapes (tape width 6mm, thickness 0.15mm) are used for the placement on double curved forms which opens a wider range of applications. By the application of smaller tapes instead of wider tapes the tension of each tape will be reduced during the placement process significantly. Especially the curved placement across the laying direction allows the decrease of radii laid by the tape placement system. For the fist time this effect was implemented in the designed tape placement head by the utilisation of 6 tapes with a width of 6mm which can be processes simultaneously by the laser-assisted tape placement process. For successful processing each tape is guided and controlled individually by the tape tension control system. By this a homogeneous and uniform tape tension over all 6 tapes during the placement process is realized. With regard to the design of different placement strategies fibre-reinforced components with high complexity can be produced. Using the tape placement process especially large sized structure parts with radii exceeding 600mm can be produced economically for example for aerospace, transportation or sports applications (e.g. aircraft or railway construction). Especially double curved structure components can be produced by the use of optimized system functions of the tape placement system which allows a flexible deposition of the tapes on complex surfaces.
Verlag
Fraunhofer IPT
Verlagsort
Aachen