Die hohen Produktionskosten für Strukturbauteile aus Faserverbundkunststoffen, insbesondere für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), verhindern aktuell, dass diese Werkstoffe in der Serienfertigung eingesetzt werden. Vor allem die Luftfahrt- und Automobilindustrie betrachten CFK als zukunftsweisenden Leichtbauwerkstoff, der mit seinen herausragenden Eigenschaften einen signifikanten Beitrag zu einer energieeffizienten Mobilität leistet.
Die vorliegende Arbeit sieht die mangelnde Industrialisierung der Faserverbundproduktion als Ursache der hohen Produktionskosten. Mit dem Begriff Industrialisierung wird das Streben nach robusten Produktionsprozessen eingeführt - als notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Transformation von einer manuell geprägten hin zu einer automatisierten Produktion. Als besonders kritisch werden die manuellen Prozessschritte und erste abgeleitete Automatisierungsansätze in den frühen Phasen der Produktion erkannt, die ohne eine objektive Qualitätssicherung durchlaufen werden und weder die geforderte Prozessfähigkeit erreichen noch aufgrund ihrer hohen Komplexität erfolgreich automatisiert werden konnten.
Als Lösungswerkzeug wird ein Machine-Vision-Messsystem konzipiert, welches geeignet ist, fertigungsintegriert die Qualitätsmerkmale wie z.B. die Faserorientierung zu messen, um somit die fehlenden Informationen über den Prozess bei jedem Schritt des generativen Aufbaus der Verstärkungsstruktur bereitzustellen. Es werden umfangreiche Fallstudien zur Integration des neuen Machine-Vision-Systems entlang der Wertschöpfungskette in der Faserverbundproduktion durchgeführt.
Die fallübergreifende Analyse der Machine-Vision-Integrationen führt zu einer Industrialisierungstheorie, die darlegt, wie die Fertigungsintegration von Maschine-Vision-Systemen im generativen Faserverbundleichtbau zur notwendigen Verbesserung der Prozessfähigkeit als Kennzahl des Industrialisierungsfortschrittes beiträgt. Auf Basis der begründeten Industrialisierungstheorie werden drei aufeinander aufbauende Handlungsempfehlungen zur erfolgreichen Machine-Vision-Integration formuliert, die die notwendige Kompetenzentwicklung der Faserverbundhersteller auf dem Weg von einer immer noch handwerklich geprägten Fertigung hin zu einer industrialisierten Produktion unterstützen.
Aktualisiert: 2023-05-11
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Der steigende Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK), vor allem in der Luftfahrtindustrie, führt zu einer zunehmenden Bedeutung der CFK-Fertigungsverfahren, wie dem Automated Fiber Placement Prozess (AFP). Eine manuelle Überwachung dieses Prozesses ist aufgrund des geringen Kontrasts zwischen den einzelnen Laminatlagen erschwert und damit zeitintensiv und ineffizient. In dieser Arbeit wird eine neuartige Überwachungsmethode auf Basis der Thermografie vorgestellt und erforscht. Eine integrierte Infrarotkamera direkt hinter der Andruckeinheit des AFP Legekopfes wertet dabei den Temperaturkontrast zwischen dem unmittelbar abgelegten Faser-Matrix-Halbzeug und dem Untergrund sowie die generelle Temperaturverteilung aus. Über eine Detektion der Halbzeugkanten können Positionierungsfehler identifiziert werden. Ebenso können über eine Auswertung der Oberflächentemperaturen Anbindungsfehler oder Fremdkörper anhand von Temperaturanomalien detektiert werden. Mit einem prototypischen Überwachungssystem werden die Systemgrenzen aufgezeigt und die Funktionsfähigkeit anhand eines Beispielprozesses demonstriert.
Aktualisiert: 2020-01-01
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Die hohen Produktionskosten für Strukturbauteile aus Faserverbundkunststoffen, insbesondere für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), verhindern aktuell, dass diese Werkstoffe in der Serienfertigung eingesetzt werden. Vor allem die Luftfahrt- und Automobilindustrie betrachten CFK als zukunftsweisenden Leichtbauwerkstoff, der mit seinen herausragenden Eigenschaften einen signifikanten Beitrag zu einer energieeffizienten Mobilität leistet.
Die vorliegende Arbeit sieht die mangelnde Industrialisierung der Faserverbundproduktion als Ursache der hohen Produktionskosten. Mit dem Begriff Industrialisierung wird das Streben nach robusten Produktionsprozessen eingeführt - als notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Transformation von einer manuell geprägten hin zu einer automatisierten Produktion. Als besonders kritisch werden die manuellen Prozessschritte und erste abgeleitete Automatisierungsansätze in den frühen Phasen der Produktion erkannt, die ohne eine objektive Qualitätssicherung durchlaufen werden und weder die geforderte Prozessfähigkeit erreichen noch aufgrund ihrer hohen Komplexität erfolgreich automatisiert werden konnten.
Als Lösungswerkzeug wird ein Machine-Vision-Messsystem konzipiert, welches geeignet ist, fertigungsintegriert die Qualitätsmerkmale wie z.B. die Faserorientierung zu messen, um somit die fehlenden Informationen über den Prozess bei jedem Schritt des generativen Aufbaus der Verstärkungsstruktur bereitzustellen. Es werden umfangreiche Fallstudien zur Integration des neuen Machine-Vision-Systems entlang der Wertschöpfungskette in der Faserverbundproduktion durchgeführt.
Die fallübergreifende Analyse der Machine-Vision-Integrationen führt zu einer Industrialisierungstheorie, die darlegt, wie die Fertigungsintegration von Maschine-Vision-Systemen im generativen Faserverbundleichtbau zur notwendigen Verbesserung der Prozessfähigkeit als Kennzahl des Industrialisierungsfortschrittes beiträgt. Auf Basis der begründeten Industrialisierungstheorie werden drei aufeinander aufbauende Handlungsempfehlungen zur erfolgreichen Machine-Vision-Integration formuliert, die die notwendige Kompetenzentwicklung der Faserverbundhersteller auf dem Weg von einer immer noch handwerklich geprägten Fertigung hin zu einer industrialisierten Produktion unterstützen.
Aktualisiert: 2023-02-14
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Der steigende Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK), vor allem in der Luftfahrtindustrie, führt zu einer zunehmenden Bedeutung der CFK-Fertigungsverfahren, wie dem Automated Fiber Placement Prozess (AFP). Eine manuelle Überwachung dieses Prozesses ist aufgrund des geringen Kontrasts zwischen den einzelnen Laminatlagen erschwert und damit zeitintensiv und ineffizient. In dieser Arbeit wird eine neuartige Überwachungsmethode auf Basis der Thermografie vorgestellt und erforscht. Eine integrierte Infrarotkamera direkt hinter der Andruckeinheit des AFP Legekopfes wertet dabei den Temperaturkontrast zwischen dem unmittelbar abgelegten Faser-Matrix-Halbzeug und dem Untergrund sowie die generelle Temperaturverteilung aus. Über eine Detektion der Halbzeugkanten können Positionierungsfehler identifiziert werden. Ebenso können über eine Auswertung der Oberflächentemperaturen Anbindungsfehler oder Fremdkörper anhand von Temperaturanomalien detektiert werden. Mit einem prototypischen Überwachungssystem werden die Systemgrenzen aufgezeigt und die Funktionsfähigkeit anhand eines Beispielprozesses demonstriert.
Aktualisiert: 2019-11-07
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Die hohen Produktionskosten für Strukturbauteile aus Faserverbundkunststoffen, insbesondere für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), verhindern aktuell, dass diese Werkstoffe in der Serienfertigung eingesetzt werden. Vor allem die Luftfahrt- und Automobilindustrie betrachten CFK als zukunftsweisenden Leichtbauwerkstoff, der mit seinen herausragenden Eigenschaften einen signifikanten Beitrag zu einer energieeffizienten Mobilität leistet.
Die vorliegende Arbeit sieht die mangelnde Industrialisierung der Faserverbundproduktion als Ursache der hohen Produktionskosten. Mit dem Begriff Industrialisierung wird das Streben nach robusten Produktionsprozessen eingeführt – als notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Transformation von einer manuell geprägten hin zu einer automatisierten Produktion. Als besonders kritisch werden die manuellen Prozessschritte und erste abgeleitete Automatisierungsansätze in den frühen Phasen der Produktion erkannt, die ohne eine objektive Qualitätssicherung durchlaufen werden und weder die geforderte Prozessfähigkeit erreichen noch aufgrund ihrer hohen Komplexität erfolgreich automatisiert werden konnten.
Als Lösungswerkzeug wird ein Machine-Vision-Messsystem konzipiert, welches geeignet ist, fertigungsintegriert die Qualitätsmerkmale wie z.B. die Faserorientierung zu messen, um somit die fehlenden Informationen über den Prozess bei jedem Schritt des generativen Aufbaus der Verstärkungsstruktur bereitzustellen. Es werden umfangreiche Fallstudien zur Integration des neuen Machine-Vision-Systems entlang der Wertschöpfungskette in der Faserverbundproduktion durchgeführt.
Die fallübergreifende Analyse der Machine-Vision-Integrationen führt zu einer Industrialisierungstheorie, die darlegt, wie die Fertigungsintegration von Maschine-Vision-Systemen im generativen Faserverbundleichtbau zur notwendigen Verbesserung der Prozessfähigkeit als Kennzahl des Industrialisierungsfortschrittes beiträgt. Auf Basis der begründeten Industrialisierungstheorie werden drei aufeinander aufbauende Handlungsempfehlungen zur erfolgreichen Machine-Vision-Integration formuliert, die die notwendige Kompetenzentwicklung der Faserverbundhersteller auf dem Weg von einer immer noch handwerklich geprägten Fertigung hin zu einer industrialisierten Produktion unterstützen.
Aktualisiert: 2021-07-10
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Die vorgestellten Modelle und Verfahrenserweiterungen eröffnen weitreichende Entwicklungspotenziale für die Anpassung bestehender sowie in der Entwicklung neuartiger Tapelegesysteme mit einem zum Stand der Technik signifikant gesteigerten Leistungsvermögen. Die Ergebnisse dieser Arbeit eröffnen neue Perspektiven für den Einsatz von Thermoplast-Tapelegeverfahren zur Herstellung von formhaltigen und komplexen, lasttragenden und nachhaltigen Leichtbaustrukturen mit in-situ Konsolidierung und reproduzierbaren chemischen Eigenschaften.
Aktualisiert: 2021-07-10
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Das laserunterstützte Thermoplast-Tapelegen ist ein Faserverbundproduktionsverfahren,
welches aufgrund weitreichender Vorteile gegenüber konkurrierenden Verfahren, ein hohes
Marktpotenzial aufweist. Trotz dieses Potenzials konnte es bis heute nicht in die industrielle
Produktionsfähigkeit überführt werden. Dabei können geometriegenaue und mechanisch belastbare
Laminate insbesondere aufgrund fehlender, auf das Tapelegeverfahren angepasster
Konsolidierungssysteme, nicht gefertigt werden. Aus diesem Grund konnten prozesstechnologische
Zusammenhänge bisher nur unzureichend untersucht werden.
Vor dem Hintergrund dieses Entwicklungsstands wird in der Dissertationsschrift 'Laserunterstütztes
Tapelegeverfahren zur Fertigung endlosfaserverstärkter Thermoplastlaminate' folgende
übergeordnete Zielsetzung verfolgt:
'Erweiterung des prozesstechnologischen Erkenntnisstandes, für die reproduzierbare Fertigung,
mechanisch belastbarer, geometriegenauer, endlosfaserverstärkter Thermoplastlaminate
im laserunterstützten Tapelegeverfahren.'
Hierzu wird im ersten Schritt ein detailliertes Prozessverständnis zur Auslegung eines angepassten
Experimental-Fertigungssystems auf Basis einer umfangreichen Prozessanalyse geschaffen.
In diesem Zusammenhang werden Prozessmodelle diskutiert und der Prozess auf theoretischer
Basis ausgelegt. Hierauf aufbauend werden allgemeingültige Anforderungen definiert, welche
bei der Auslegung eines Tapelegesystems mit Laserintegration zu beachten sind. Unter Berücksichtigung
dieser Anforderungen wird die beispielhafte Entwicklung und Umsetzung eines Experimental-
Fertigungssystems beschrieben. Detailliert wird hierbei die erstmalige Entwicklung
und Umsetzung formflexibler bzw. -adaptiver Konsolidierungssysteme behandelt.
Im Anschluss erfolgen prozesstechnologische Untersuchungen mit dem umgesetzten Experimental-
Fertigungssystem. Diese dienen dem Ziel, den Einfluss der Prozessstellgrößen auf die
geometrische Formhaltigkeit und mechanische Belastbarkeit der Laminate zu ermitteln und
hiermit geeignete Prozessfenster für die Fertigung qualitativ hochwertiger Laminate zu identifizieren.
Abschließend wird die geometrische Formhaltigkeit und mechanische Belastbarkeit der im
laserunterstützten Thermoplast-Tapelegeverfahren gefertigten Laminate anhand geeigneter
Kennwerte bewertet. Zur Einordnung der erzielten Eigenschaften erfolgt ein Vergleich der gefertigten
Proben mit Laminaten, die im Thermopressverfahren gefertigt werden.
Aktualisiert: 2021-07-10
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Ziel dieser Dissertation ist die Erweiterung der bestehenden Prozessgrenzen des laserunterstützen Tape Placement Prozesses (TPP) auf ein 3D-Bauteilspektrum. Anhand einer Gaußgeometrie wird der TPP analysiert und system- und prozesstechnische Anforderungen abgeleitet. Ferner wird aufzeigt, wie diese Anforderungen in einem Tape Placement System umgesetzt werden können. Im Rahmen einer Prozessentwicklung erfolgt die Identifizierung der Prozess- und Verfahrensgrenzen mit der Gaußgeometrie.
Aktualisiert: 2021-07-10
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