Digital twin methodology for the automated fiber placement with in-situ consolidation of thermoplastic tape

The automated fiber placement (AFP) process of thermoplastic tape with in-situ consolidation is a promising technology to enable a resource-efficient production of load-optimized, near-net shape lightweight parts. However, it is prone to difficult processing due to its complexities and interacting parameters. This results in time-consuming experiments generating a lot of resource-consuming waste. To prevent this from happening and to make the production process more resource-efficient and simpler, a realistic process modeling within a digital twin can be a solution. For this reason, this thesis develops a methodology for a digital twin for the AFP process of thermoplastic, tailored composites blanks. In the last decades, a vast process knowledge has been gained in research offering a bouquet of validated modeling solutions for the AFP process. Within this thesis, a detailed study leads to the selection of adequate models for the transfer into a digital twin. The temperature evolution within the laminate during processing is a crucial characteristic. It strongly influences the quality of the final part. Quality indicators, such as the consolidation degree and crystallization ratio, are based on well-established analytical models. A first feasibility study of applying these models to gain a more part-oriented, realistic model shows the potentials for the digital twin. Based on its findings, a digital twin is proposed by specifying the required information, the suitable models as well as additional partoriented characteristics, such as the path-dependent cooling time. An experimental validation of the proposed digital twin is conducted on the AFP production system, PrePro2D®. Due to is fully integrated hardware, the system allows to smoothly assess, synchronize, and store all relevant data without the need of further data preparation. Although various material characteristics are taken from literature, the validation shows good agreement with the digital twin prediction. However, it also gives insight into the gaps of the model. The aggregation of information to capture a holistic process view still incorporates many underlying assumptions. This thesis summarizes with an overview of solutions improving the prediction quality of the digital twin. In conclusion, this dissertation elaborates a new solution space for complex manufacturing problems of the FRP industry with the help of digitization.

Das Tapelegeverfahren mit in-situ Konsolidierung ist eine vielversprechende Technologie, die eine ressourceneffiziente Produktion von lastoptimierten, endkonturnahen Leichtbauteilen aus thermoplastischen Faserverbundkunstoffen (FVK) ermöglicht. Das Verfahren ist jedoch aufgrund der vielen interagierenden Parameter komplex. Dies führt zu zeitaufwändigen und ressourcenintensiven Experimenten. Um dies zu vermeiden und den Produktionsprozess ressourceneffizient und einfacher zu gestalten, hilft eine realistische Prozessmodellierung innerhalb eines digitalen Zwillings. Die vorliegende Dissertation erarbeitet schrittweise einen solchen digitalen Zwilling für den Tapelegeprozess. In den letzten Jahrzehnten wurde in der Literatur ein umfangreiches Prozesswissen erworben, das einen Strauß validierter Modellierungslösungen für den Tapelegeprozess bietet. Die detaillierte Untersuchung dieser zur Verfügung stehenden Modellierungslösungen führt zur Auswahl geeigneter Modelle für den digitalen Zwilling. Die Temperaturentwicklung innerhalb des Laminats während der Verarbeitung ist ein entscheidendes Merkmal, da sie die Qualität des Endprodukts stark beeinflusst. Qualitätsindikatoren wie der Konsolidierungs- und der Kristallisationsgrad basieren auf gut etablierten analytischen Modellen. Eine erste Machbarkeitsstudie zur Nutzung dieser Modelle für ein bauteilorientiertes, realistisches Modell zeigt die Potenziale des digitalen Zwillings. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird ein digitaler Zwilling erarbeitet, indem die benötigten Informationen, die geeigneten Modelle sowie zusätzliche bauteilorientierte Merkmale, wie z.B. die pfadabhängige Abkühlzeit, spezifiziert werden. Eine experimentelle Validierung des digitalen Zwillings wird auf dem Tapelegesystem PrePro2D® durchgeführt. Dank seiner voll integrierten Hardware ermöglicht das System die reibungslose Auswertung, Synchronisierung und Speicherung aller relevanten Daten, ohne dass eine weitere Datenaufbereitung erforderlich ist. Obwohl verschiedene Materialeigenschaften aus der Literatur abgeleitet werden, zeigt die Validierung eine gute Übereinstimmung mit der Vorhersage des digitalen Zwillings. Sie gibt aber auch Aufschluss über die Lücken des Modells. Die Aggregation von Informationen zur Erfassung einer ganzheitlichen Prozessbetrachtung beinhaltet immer noch viele zugrunde liegende Annahmen. Diese Dissertation schließt mit einer Zusammenfassung über Lösungen zur Verbesserung der Vorhersagequalität des digitalen Zwillings ab. So erarbeitet diese Dissertation einen neuen Lösungsraum für komplexe Fertigungsprobleme der FVK-Industrie mithilfe der Digitalisierung.