Characterization of influencing parameters in the robot-based filament winding process on a skeleton structure with thermoset pre-impregnated carbon fiber tows

In current research on filament winding technology at Fraunhofer ICT, the material is predominantly thermoplastics pre-impregnated fiber, and the impregnation of fiber is intergrated in the winding process. This process was developed to explore its application in 3D skeleton winding technology. In order to investigate the possibility of using resin pre-impregnated fibers in 3D skeleton winding technology, this master thesis was carried out. For filament winding technology, previously studied materials are either pre-impregnated fibers or dry fibers impregnated with resin during the winding process. However, pre-impregnated fibers have rarely been studied. The researched material in this thesis are pre-impregnated carbon fibers (towpreg). The experimental parameters and plan suitable for this experiment were specified by referring to the conclusions from the previously explored winding techniques. For the experiments the DoE (Design of Experiment) is used. For the preliminary tetsts a fractional factorial experiment design was used. Fiber tension, winding speed, layers, eye winding and viscosity were investigated, and finally found that the three factors like fiber tension, winding speed, layers have the most significant influence. The main experiment is planed as a full factorial experiment to explore the best combination of three parameters. In this work, the specimen was wound under different experimental parameters by designing and assembling a fiber delivery system and a fiber winding system suitable for this experiment. Experimental parameters include fiber tension, Layes, winding speed, winding angle, eye winding and viscosity of resin. The winding quality is evaluated by tensile tests, geometry measurements and the appearance of the specimen, and correlated with the parameters of the tests in order to find certain laws. For pre-impregnated fibers, eye winding and viscosity of resin basically have less influence on the mechanical properties of wound samples. And increasing the number of fiber layers increases the mechanical properties of the specimen. The effect of tension on the winding quality is also relatively large, and better mechanical properties were obtained with lower pretensions. The increase in winding speed results in better mechanical properties. The best combination obtained in the experiment is lower tension and higher winding speed, which guarantees a linear relationship between the number of fiber layers and the mechanical properties.

In der aktuellen Forschung zur Faser Wickeltechnik am Fraunhofer ICT werden überwiegend Hybridgarne verwendet, wobei die Faserimprägnierung in den Wickelprozess integriert ist. Dieses Verfahren wurde entwickelt, um seine Anwendung in der 3D-Skelett-Wickeltechnik zu untersuchen. Um die Möglichkeit der Verwendung von harzgetränkten Fasern in der 3D-Skelettwickeltechnik zu untersuchen, wurde diese Masterarbeit durchgeführt. Bei der Wickeltechnik sind die zuvor untersuchten Materialien entweder vorimprägnierte Fasern oder trockene Fasern, die während des Wickelprozesses mit Harz imprägniert werden. Vorimprägnierte Fasern wurden jedoch selten untersucht. Das untersuchte Material für diese Arbeit sind vorimprägnierte Fasern. Die experimentellen Parameter und der für dieses Experiment geeignete Plan wurden unter Bezugnahme auf die Schlussfolgerungen aus den zuvor untersuchten Wickeltechniken spezifiziert. Für die Versuchen wird das DoE verwendet. Für die Vorversuche wurde ein fraktionierter faktorieller Versuchsplan verwendet. Faser Vorspannung, Wickelgeschwindigkeit, Lagenanzahl, Augenwicklung und Viskosität wurden untersucht, und schließlich wurde festgestellt, dass die drei Faktoren wie Faserspannung, Wickelgeschwindigkeit, Lagen den größten Einfluss haben. Die Hauptversuche ist als vollfaktoriell geplant, um die beste Kombination von 3 Parametern zu finden. In dieser Arbeit wurden Proben mit verschiedenen Versuchsparametern gewickelt, indem ein für dieses Experiment geeignetes Faserzuführsystem und ein Faserwickelsystem entworfen und zusammengestellt wurden. Zu den experimentellen Parametern gehören Faser Vorspannung, Lagenummer/Wickelanzahl, Wickelgeschwindigkeit, Wickelwinkel, Augenwicklung und Viskosität des Harzes. Die Qualität der Wicklung wird durch den Zugversuch, die Geometrie und das Aussehen der Probe bewertet und mit den Parametern des Versuchs korreliert, um bestimmte Gesetze zu finden. Bei vorimprägnierten Fasern haben die Augenwicklung und die Viskosität des Harzes grundsätzlich weniger Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der gewickelten Proben. Und eine Erhöhung der Anzahl der Faserlagen erhöht die mechanischen Eigenschaften der Probe. Auch der Einfluss der Vorspannung auf die Wickelqualität war relativ groß. Bessere mechanische Eigenschaften wurden mit geringeren Vorspannungen erzielt. Die Erhöhung der Wickelgeschwindigkeit führt zu besseren mechanischen Eigenschaften. Die beste Kombination, die im Experiment erzielt wurde, ist eine geringere Vorspannung und eine höhere Wickelgeschwindigkeit. Unter diesen Bedingungen ist eine lineare Beziehung zwischen der Anzahl der Faserlagen und den mechanischen Eigenschaften.