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Herstellprozesssimulation zur Vorhersage der Faltenbildung in der Prepreg-Autoklav-Fertigung

  • In der modernen Hubschrauberfertigung werden neben Rotorblättern auch tragende Strukturteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Um dabei einen möglichst hohen Leichtbaugrad zu erreichen, werden immer neue Design- Konzepte entwickelt. Innovative Design-Lösungen sind aber nur dann in der Fertigung umsetzbar, wenn sie effizient, kostengünstig und fehlerfrei gefertigt werden können. Ein wichtiger Baustein für die Produktion sind die Fertigungsvorrichtungen, auf denen die Bauteile laminiert und ausgehärtet werden. Diese Vorrichtungen sind ein maßgeblicher Faktor zum Erreichen der geforderten Bauteilqualität. Das Augenmerk liegt hierbei auf der sogenannten tool-part-interaction, also der Interaktion zwischen Fertigungsvorrichtung und Faserverbundmaterial. Diese hat einen großen Einfluss auf das Aufheiz- und Verpressungsverhalten der Prepreg-Materialien und somit auch direkt auf fertigungsinduzierte Schädigungen wie Faltenbildung und Verzug. Aktuell kann der Vorrichtungsentwickler lediglich auf Erfahrungswerte zurückgreifen, um ein gutes Aufheiz- und Verpressungsverhalten der Vorrichtung zu erreichen. Zur Minimierung von Falten fehlt jedoch häufig sogar das nötige Hintergrundwissen über die grundlegenden Mechanismen der Faltenbildung. Nur ein langwieriger trial-and-error Prozess nach Produktion der Vorrichtung kann helfen, Faltenbildung zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren. Zukünftig muss es ein primäres Ziel für den Vorrichtungsbau sein, Fertigungsmittel gezielt auslegen und bereits im Rahmen der Konzeptentwicklung Aussagen über die zu erwartende Bauteilgüte und das Fertigungsergebnis machen zu können. Einen möglichen Weg stellt die Einführung einer Herstellprozesssimulation dar, da sie bereits in einer frühen Entwicklungsphase das Aufheiz- und Verpressungsverhalten eines Bauteils sowie den Einfluss der Fertigungsvorrichtung auf die Bauteilqualität einschätzen kann. Fertigungsinduzierte Schädigungen, wie der prozessinduzierte Verzug, lassen sich bereits mit Hilfe von kommerziell erhältlichen Software-Tools vorhersagen. Um zukünftig auch die Faltenbildung bei der Prepreg-Autoklavfertigung vorhersagbar zu machen, müssen zwei übergeordnete Fragestellungen bearbeitet werden:Faltenbildung: Wie läuft die Faltenbildung in der Autoklavfertigung ab und welche Mechanismen bzw. Einflussfaktoren müssen besonders beachtet werden?  Simulation: Wie muss eine Herstellprozesssimulation geartet sein, um den Einfluss der Fertigungsvorrichtung auf die Faltenbildung vorhersagen zu können und Vorrichtungen auf diese Weise zukünftig auslegbar zu machen? Experimentelle Untersuchungen an Omega- und C-Profilen helfen, die Faltenbildung, ihren primären Mechanismus und vor allem die verschiedenen Einflussfaktoren zu verstehen und zu bewerten. Im Falle der vorliegenden Arbeit wurde besonders die Kompaktierung des Laminates über einem Außenradius und die daraus entstehende überschüssige Faser- bzw. Rovinglänge als primärer Faltenauslöser betrachtet. Es konnte aus den Experimenten abgeleitet werden, dass besonders der Verpressungsweg, die Bauteilgeometrie, das verwendete Faserhalbzeug (unidirektional oder Gewebe), die tool-part-interaction und das interlaminare Reibverhalten für den untersuchten Mechanismus von Bedeutung sind. Daraus lassen sich die Mindestanforderungen an eine Herstellprozesssimulation zusammenstellen. Eine umfassende Materialcharakterisierung inklusive der interlaminaren Reibung, der Reibinteraktionen zwischen Bauteil und Fertigungsvorrichtung sowie des Verpressungsverhaltens des Faserbettes sind der erste Schritt in der Entwicklung einer industriell einsetzbaren Simulation. Die Simulation selbst setzt sich aus einem thermo-chemischen und einem Kompaktiermodul zusammen. Ersteres ermittelt das Aufheizverhalten der Vorrichtung und des Bauteils im Autoklaven und stellt darüber hinaus Aushärtegrad und Glasübergangstemperatur als Parameter für das zweite Simulationsmodul zur Verfügung. Zur korrekten Bestimmung des Wärmeübergangs im Autoklaven wurde ein semi-empirisches Verfahren entwickelt, das in der Lage ist, Strömungseffekte und Beladungszustände des Autoklaven zu berücksichtigen. Das Kompaktiermodul umfasst das Verpressungsverhalten des Faserbettes inklusive des Harzflusses, der toolpart- interaction und der Relativverschiebung der Laminatlagen zueinander. Besonders das Erfassen der Durchtränkung des Fasermaterials mittels eines phänomenologischen Ansatzes und das Einbringen der Reibinteraktionen in die Simulation muss als Neuerung im Vergleich zu bisherigen Simulationskonzepten gesehen werden. Auf diese Weise ist die Simulation in der Lage, alle wichtigen Einflussfaktoren der Faltenbildung zu erfassen. Der aus der Simulation auslesbare Spannungszustand kann Aufschluss über die Faltenbildung geben. Mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten (Spannungs-)Kriteriums lässt sich eine Aussage über das zu erwartende Faltenrisiko treffen. Außerdem ermöglicht die Simulation eine genaue Identifikation der Haupttreiber der Faltenbildung für das jeweilige Bauteil bzw. Fertigungskonzept. Parameter- und Sensitivitätsstudien können dann den experimentellen Aufwand zur Behebung der Faltenbildung deutlich reduzieren. Die hier vorliegende Arbeit erweitert damit nicht nur das Wissen über die Faltenbildung in der Prepreg-Autoklavfertigung und deren Einflussfaktoren, sondern gibt dem Vorrichtungsentwickler auch eine Simulationsmethodik an die Hand, die ihn in die Lage versetzt, Fertigungsvorrichtungen gezielt auszulegen und zu optimieren. In addition to rotor blades, primary structural parts are also manufactured from carbon fiber reinforced plastics in modern helicopter production. New design concepts are constantly developed in order to reach a maximum degree of lightweight design. However, innovative design solutions are only realizable, if they can be manufactured efficiently, economically, and free from defects. Molds for laminating and curing of composite parts are of particular importance. They are a relevant factor for achieving the required part quality. The attention is directed at the so-called tool-part-interaction, i.e. the interaction between tools and fiber composite materials, which has a great influence on the heating and compaction behavior of the prepreg materials and therefore also directly on manufacturing induced damage such as wrinkling and warping. At present, the tooling designer can only resort to his/her experience to achieve a good heating and compaction behavior of the molds. However, the necessary background knowledge about the fundamental mechanisms of wrinkling is often lacking and only a tedious trial-and-error process after the production of the mold can help eliminate or at least reduce wrinkling. In the future, the primary goal for tooling production must be to specifically design the manufacturing equipment and to be able to already make a statement about the expected part quality and production result during the conceptual stage. A possible solution is the introduction of a manufacturing process simulation, because at an early development stage it can estimate the heating and compaction behavior of a part as well as the influence of the manufacturing equipment on part quality. Commercially available software tools are already able to predict damage during production, as e.g. process induced deformation. In order to make wrinkling predictable also, two primary issues need to be dealt with: Wrinkling: How does wrinkling develop in autoclave manufacturing and which mechanisms or influencing factors need to be particularly considered?  Simulation: What must be integrated into a manufacturing process simulation, if it is to predict the influence of the mold on wrinkling and to ensure future tooling improvement? Experimental examinations of omega and c-profiles help to understand and evaluate wrinkling, its primary mechanism, and particularly the various influencing factors. In the case of the present paper, the compaction of the laminate over a convex radius and the resulting surplus roving length was especially examined as primary cause for wrinkling. From the experiments could be deduced that the compaction, the part geometry, the utilized semi-finished fabrics (unidirectional and woven), the tool-part-interaction and the interlaminar friction are of importance for the examined mechanism. These factors determine the minimum requirements for a manufacturing process simulation. A comprehensive material characterization including interlaminar friction, friction interaction between part and tool as well as the compaction behavior of the fiber bed are the first step toward the development of a simulation on an industrial scale. The simulation consists of a thermochemical and a compaction module. The former determines the heating behavior of the mold and the part in the autoclave and additionally provides the degree of cure and the glass transition temperature as parameters for the second simulation module. A semi-empirical method that is able to consider flow effects and loading conditions of the autoclave was developed for the correct determination of the heat transfer within the autoclave. The compaction module comprises the compaction behavior of the fiber bed including resin flow, tool-partinteraction and relative displacement of the layers. Especially the integration of the saturation phase by means of a phenomenological approach and the inclusion of friction interaction in the simulation must be seen as innovation in comparison to other simulation concepts. The simulation is thus able to capture all the important influencing factors of wrinkling. The state of stress that is retrieved from the simulation can provide information about the formation of wrinkles. Furthermore, the simulation enables an exact identification of the main drivers for the development of wrinkles in the respective part or manufacturing concept. Parameters and sensitivity analyses can then significantly reduce the experimental effort for the elimination of wrinkling. The present study does therefore not only expand the knowledge about wrinkling and its influencing factors in prepreg autoclave manufacturing, but also presents the tooling designer with a simulation methodology that enables him/her to systematically develop and optimize manufacturing equipment.

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Metadaten
Author:Tobias A. Weber
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-54923
ISBN:978-3-944440-24-8
Serie (Series number):IVW-Schriftenreihe (127)
Advisor:Joachim Hausmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2019/02/01
Date of first Publication:2017/11/20
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2017/11/20
Date of the Publication (Server):2019/02/01
Tag:Faltenbildung
GND-Keyword:Prepreg-Autoklav-Fertigung
Number of page:XIV, 207
Note:
Band 127 und Band 129 der Schriftenreihe haben die identische ISBN
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 500 Naturwissenschaften
Collections:Universitätsbibliothek
Licence (German):Zweitveröffentlichung