Bei der Herstellung von Faserverbundstrukturen mittels flächiger Faserhalbzeuge wird im Rahmen des Preformings ein Umformschritt durchlaufen, um die dreidimensionale Zielgeometrie abzubilden. Eine lastpfadgerechte Anordnung der Verstärkungsfasern ist hierbei essentiell, um effizienten Leichtbau zu ermöglichen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Drapieren im Stempelprozess, welches zu den etablierten textilen Umformverfahren gehört, exemplarisch untersucht. Zur Analyse der Umformqualität wird eine in-situ Messung der Faserhalbzeugdeformation im geschlossenen Drapierwerkzeug umgesetzt. Dies geschieht durch Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von gedruckten resistiven Dehnungssensoren. Ein methodisches Vorgehen ermöglicht deren Anwendung auf verschiedenen Faserhalbzeugen. Neben den Prozessrandbedingungen des Stempelverfahrens ist im Besonderen zu beachten, dass Faserhalbzeug und Sensorik einen wechselseitigen Einfluss aufeinander ausüben. Dies hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Qualität der Deformationsmessung im Drapierprozess, wie Umformversuche mit verschiedenen Faserhalbzeugen zeigen.
Anhand eines Gewebehalbzeugs werden lokal gemessene Deformationsgrößen mithilfe eines segmentierten Niederhaltersystems gezielt beeinflusst. Durch aktive Einbringung lokaler Membranspannungen auf der Grundlage von in-situ gemessenen Faserhalbzeugdeformationen kann eine Qualitätsoptimierung des Drapierprozesses demonstriert werden. Diese Ergebnisse stellen die Grundlagen für die Entwicklung selbstgeregelter Prozesse für das qualitätsoptimierte Drapieren im Stempelverfahren dar.
Aktualisiert: 2022-12-30
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Hybride Faserverbund-Metall-Stäbe sind aufgrund ihres hohen Leichtbau-Potentials für mechanisch hochbeanspruchte Anwendungen prädestiniert. Für die Herstellung derartiger Bauteile wird ein hybrider, endkonturnah drapierter Preform benötigt, welcher bisher nicht reproduzierbar hergestellt werden kann. Das Ziel dieser Arbeit war daher die systematische Entwicklung und Erprobung der Prozesskette zur Herstellung des Preforms.
Die Arbeit gliedert sich in drei Phasen. In der Planungsphase wird eine übergeordnete Prozesskette hergeleitet. Die dabei notwendigen Prozessschritte werden hinsichtlich Ihres Reifegrads analysiert. Prozessschritte, die wissenschaftlich nicht verstanden sind, werden in der anschließenden Einzelprozessphase genauer untersucht. Für diese Prozessschritte wird jeweils ein Anlagenmodul entwickelt sowie ein Prozessmodell aufgebaut.
In der Integrationsphase werden alle Prozessschritte prototypisch implementiert, die Prozesskette erprobt und somit validiert.
Bei der Analyse der Gesamtprozesskette haben sich die Prozessschritte Binderauftrag und Drapierung als wissenschaftlich unzureichend verstanden herauskristallisiert und werden daher in der Einzelprozessphase genauer untersucht.
Für den Binderauftrag wird ein vibrationsbasiertes Binderauftragsmodul entwickelt, welches den pulverförmigen Binder auf den Preform streut. Mit Hilfe eines analytischen, bildbasierten Streumodells kann eine optimale Düsenkonfiguration ausgewählt werden.
Die Drapierung kann durch einen Ansatz mit druckluft-aktuierten Membranen erfolgreich durchgeführt werden. Für eine faltenfreie Drapierung wird ein axialer Längenausgleich benötigt, welcher durch ein kinematisches Drapiermodell berechnet wird.
Die Gesamtprozesskette wird schließlich prototypisch aufgebaut und erfolgreich erprobt.
Aktualisiert: 2022-09-01
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Das Stempel-Preforming in der Binder-Umformtechnik bietet ein großes Potential zur Fertigung komplexer, schalenförmiger Preforms, was ein Schlüsselprozess in der Herstellung von endlosfaserverstärkten Bauteilen darstellt. Ein innovativer Ansatz zur Verbesserung der Preformqualität stellen segmentierte Werkzeugsysteme dar.
Diese Arbeit beschreibt eine systematische Vorgehensweise, die ausgehend von einem Materialsystem und einer Bauteilgeometrie die Prozessstrategie für das Preforming mit einem segmentierten Werkzeugsystem definiert. Die Prozessstrategie umfasst die Werkzeugsegmentierung und -sequenz sowie die Aktivierungszeit und -temperatur. Zur Definition der Prozessstrategie werden unterschiedliche Modelle entwickelt und validiert, die abschließend zu einem systematischen Vorgehen kombiniert werden. Ein vereinfachtes Temperaturmodell ermöglicht in Abhängigkeit der Material- und Kontaktparameter die Berechnung der Start- und End-Umformtemperatur für unterschiedliche Werkzeugsegmentierungen und -sequenzen. Die Stabilität des Preforms erfordert eine ausgeglichene Aufteilung der inter- und intra-laminaren Binderanteile, für deren Bestimmung ein Tränkungsmodell vorgestellt wird. Es lassen sich somit eine minimale Umform- und Aktivierungstemperatur sowie kurze Aktivierungszeit identifizieren. Die Definition der Werkzeugsegmentierung basiert auf einer geometrischen Analyse der Bauteilgeometrie. Die Optimierung der Werkzeugsequenz erfolgt durch eine Kopplung eines FE-basierten Umformmodells mit einem genetischen Algorithmus, der die Faltenbildung im Preform minimiert. Es wird gezeigt, dass komplexere Bauteilgeometrien durch die Definition einer Prozessstrategie für ein segmentiertes Werkzeugsystem im Vergleich zu einem globalen Umformwerkzeug möglich sind.
Aktualisiert: 2020-11-12
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Bei der Stempelumformung textiler Verstärkungshalbzeuge werden primär vollklemmende Systeme zur Materialzuführung eingesetzt. Dadurch können Drapierfehler in den umgeformten Preforms entstehen. In der Folge werden die optischen und mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils reduziert. Andere Strategien, das Verstärkungshalbzeug während der Umformung zuzuführen, sind meist nur auf bestimmte Zuschnitte ausgelegt, nicht automatisierbar oder teure Speziallösungen. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines flexiblen Verfahrens zur automatisierten und effizienten Herstellung von formkomplexen, qualitativ hochwertigen Preforms. Dazu wird ein innovativer Ansatz zur Materialzuführung entwickelt, bei dem eine lösbare textile Fügeverbindung ein Abgleiten der Einzellagen während des Umformprozesses unter einer definierten Rückhaltekraft zulässt. Die textile Materialzuführung ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Preformqualität bei einer gleichzeitig endkonturnahen, geometrieflexiblen sowie ressourcenschonenden Materialzuführung und weist somit ein enormes wirtschaftliches Potenzial auf.
Aktualisiert: 2020-07-10
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Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines messtechnischen Verfahrens, um die prozessbedingten Variationen der Faserarchitektur im Entwicklungsprozess von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund berücksichtigen zu können. Hierfür erfolgen die Analyse von Zusammenhängen zwischen Faserarchitektur-Variationen und den mechanischen Werkstoffeigenschaften, sowie der Aufbau eines optischen Messsystems zur 3D-Preformanalyse.
Dafür werden am Beispiel der Flechttechnologie mittels Radialflechtmaschine und der einteiligen Stempelumformung von Gelegen real auftretende Faserarchitekturen analysiert und Korrelationsuntersuchungen mit den mechanischen Eigenschaften durchgeführt. Die Versuchsreihen beinhalten Geflechte mit niedrigem Bedeckungsgrad, einer hohen Faserarchitektur-Streuung und variabler Ondulation, sowie Gelege mit künstlich eingebrachten Gaps.
Durch Analyse der Faserarchitektur einzelner Geflechtlagen kann gezeigt werden, dass unter Zuhilfenahme prüfkörperindividueller Faserorientierungs-Informationen eine signifikante Verbesserung der Prognosegüte der Laminateigenschaften erreicht werden kann. Die Untersuchungen von offenen Geflechten und Gelegen mit Gaps weisen einen starken Zusammenhang von Festigkeiten mit (lokalen) Lücken in der Faserarchitektur nach, da diese Welligkeiten der angrenzenden Faserlagen bewirken. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass primär Zugfestigkeiten von den fertigungsspezifischen Faserarchitekturvariationen beeinflusst werden.
Die Erkenntnisse fließen in die Entwicklung eines optischen Messsystems zur 3D-Preformanalyse ein, welches mittels grauwertbasierter Bildverarbeitung die vollflächige Texturanalyse komplexer, dreidimensionaler Oberflächen ermöglicht. Das robotisch geführte Messsystem nutzt dabei einen monochromatischen Kamerasensor sowie eine neu entwickelte, diffuse Beleuchtung zur reflexionsarmen Aufnahme von Kohlenstofffaser-Halbzeugen. Zuletzt werden Anwendungsbeispiele für das optische Messsystem beschrieben. Dazu gehören verschiedene Routen zur Implementierung der Faserarchitekturinformation in den Auslegungsprozess, die Analyse drapierter Preforms zur Validierung von Prozesssimulationen und die vollflächige Faserorientierungsmessung einer geflochtenen C-Spant-Geometrie zur Prozessoptimierung.
Aktualisiert: 2020-12-26
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In dieser Arbeit wird das Umformverhalten nähgewirkter unidirektionaler Kohlenstofffasergelege (UD-Gelege) experimentell untersucht und ein Modell zur Simulation des Umformverhaltens von UD-Gelegen im Kontext eines automatisierten Preformprozesses entwickelt. Die benötigten Materialparameter werden durch die Simulation der experimentellen Couponversuche identifiziert. Zur Modellvalidierung wird die Umformung von UD-Gelegen in eine Halbkugel und in ein komplexes Karosseriebauteil simuliert. In this work experimental tests are performed to investigate the forming behavior of unidirectional non-crimp fabrics (UD-NCFs) within the context of an automated preforming process. Based on the experimental results, a macroscopic forming simulation model for UD-NCFs is developed and model parameters are identified via the simulation of material tests. The forming simulation model is validated via hemisphere and car body part forming tests.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften und geringen Dichte bieten die FVK gerade bei dynamisch belasteten Bauteilen besondere Vorteile. Durch den Einsatz von FVK anstelle metallischer Werkstoffe kann die Masse der Bauteile reduziert und damit Energie zur Beschleunigung und Bewegung der Bauteile eingespart werden. Bei Kraftfahrzeugen (KFZ) werden daher metallische Werkstoffe aktuell vermehrt durch FVK substituiert. Dies soll zu einer Verringerung des Fahrzeuggewichts und zu einer Reduzierung des Energie und Kraftstoffbedarfs führen. Durch die Reduzierung des Gewichts sollen Kosten für Kraftstoff eingespart, die Emission von CO2 reduziert, die Nutzlast gesteigert und der Fahrspaß durch verbesserte Fahrdynamik erhöht werden.
Um einen breiten Einsatz von Strukturbauteilen aus FVK (struktureller FVK) in der automobilen Großserie zu erreichen, sind hochproduktive Fertigungsverfahren erforderlich, mit denen mehr als 10.000 Bauteile pro Jahr auf einer einzelnen Produktionslinie gefertigt werden können. Bisher stehen solche Verfahren jedoch nicht zur Verfügung.
Daher wurden im Rahmen der Forschergruppe 860 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) neuartige, automatisierte Prozessketten zur Fertigung nachbearbeitungsfreier, belastungsgerecht endlosfaserverstärkter Strukturbauteile mit einem hohen Faservolumengehalt von über 50 % in Zykluszeiten unter 10 Minuten betrachtet. Dies beinhaltete die Fertigungsstufen „Preformherstellung“, „Imprägnierung“ und „Formen und Vernetzen“.
Grundlage dieser Prozessketten ist die Trennung und Parallelisierung der Prozessschritte „Imprägnieren“ und „Formen und Vernetzen“. Dabei werden textile Halbzeuge zunächst in einem ersten Prozessschritt mit Epoxid- oder Polyurethanharz imprägniert und dann in einem zweiten Prozessschritt mit Hilfe eines Pressprozesses zum Bauteil ausgeformt und vernetzt.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Verfahrensanalyse des Prozessschrittes „Formgebung und Vernetzung“ durchgeführt. Dazu wurden ein neuartiges Werkzeug- und Prozesskonzept erarbeitet und praktische Analysen durchgeführt. Durch die Ergebnisse der Analysen und daraus abgeleitete Optimierungen konnten eine robuste Werkzeug- und Prozesstechnologie sowie Verarbeitungsvorschriften für den Prozessschritt „Formgebung und Vernetzung“ bereitgestellt werden. Durch die Erkenntnisse dieser Arbeit wurde eine Fertigung qualitativ hochwertige Bauteile mit Polyurethan- oder Epoxidmatrix in großserientauglichen Zykluszeiten unter 10 Minuten ermöglicht.
Aktualisiert: 2019-03-15
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Das Ziel dieser Arbeit war es, den direkten Kontakt mit dem Preform während des Preformingprozesses zu vermeiden, den Einsatz von Fügeverfahren zur Erhöhung der Biegesteifigkeit zu vermeiden, die Anzahl der prozess- und geometriespezifischen Werkzeuge für den Preformingprozess zu reduzieren sowie sichere inner- und außerbetriebliche Transport- und Lagerungsprozesse zur Verfügung zu stellen. Der zur Zielerreichung entwickelte Ansatz besteht in einem neuen Werkzeugkonzept zur Herstellung textiler Preforms. Das Konzept wird durch den Einsatz von Polystyrolschaummaterialien als Werkzeugmaterial und durch den Einsatz der Tuftingtechnologie als Fügetechnologie definiert. Die technologische Validierung für die Prozesse Zuschnitt, Handhabung sowie Lagerung und Transport für zeigen, dass der gewählte Ansatz den direkten Kontakt mit dem Preform im Preformingprozess vermeidet, auf den Einsatz von Fügeverfahren zur Erhöhung der Biegesteifigkeit verzichtet werden kann und die Anzahl der prozess- und geometriespezifischen Werkzeuge für den Preformingprozess reduziert werden kann. Die wirtschaftliche Bewertung und der Vergleich des Ansatzes mit vorherigen Ansätzen zeigen, dass die Einbindung des neuen Werkzeugkonzepts wirtschaftlich ein hohes Potential aufweist. Sowohl die Stückkosten als auch die Taktzeit des neuen Ansatzes erfüllen die wirtschaftlichen Anforderungen und bringen weitere Vorteile mit sich. Der Einsatz von Leichtschaummaterialien führt zusätzlich zu der Möglichkeit einer sicheren Lagerung, eines sicheren Transports sowie eines sicheren Versands textiler Preforms. Das eröffnet die Möglichkeit, den Preformingprozess von der Infusion örtlich zu trennen. Hierbei können beispielsweise komplexe Preformingprozesse zu spezialisierten Preformherstellern ausgelagert werden.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Viele Entwicklungen in der Automobilindustrie haben aktuell zum Ziel, Emissionen zu reduzieren oder diese zu vermeiden. Ein Ansatz liegt in der Reduktion der Fahrzeugmasse durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen. In einigen Branchen werden die faserverstärkten Kunststoffe bereits in kleineren Stückzahlen eingesetzt. Die Herausforderung besteht jedoch in der Übertragung der Prozesse in die Großserie. Hinsichtlich der Automatisierbarkeit und Herstellung von größeren Stückzahlen zeigt der Resin Transfer Moulding (RTM) Prozess vielversprechende Eigenschaften.
Das Preforming ist der Schlüsselprozess zur wirtschaftlichen Herstellung von hochbelastbaren Bauteilen in der RTM-Prozesskette. Beim Fokus auf schalenförmige, komplexstrukturierte Bauteile kommt vorzugsweise die Binder-Umformtechnik für das Preforming zum Einsatz. Dabei kann auf eine Vielzahl an Technologien zurückgegriffen werden. Die bauteilspezifische Auswahl der geeignetsten technologischen Lösung stellt hier eine große Herausforderung dar.
Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, durch eine Systematisierung des Auswahlablaufs die Identifizierung der Preformingtechnologie zu vereinfachen und die Planung der Fertigungsabläufe für das Preforming zu beschleunigen. Ausgangspunkt für den Ansatz ist die Bereitstellung der grundlegenden Informationen zu Geometrie, Technologien und dem Material in einer Wissensbasis. Für jedes Informationsfeld werden entsprechende Informationseinheiten - Features - bestimmt und miteinander kombiniert. Die aufgebaute Wissensbasis wird anschließend in den Planungsansatz integriert sowie in einem Planungstool abgebildet. Zuletzt wird der Gesamtansatz anhand einer aufgebauten Preformingstation und definierten Demonstratorbauteilen validiert.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Grundlagencharakterisierungen, Verfahrensentwicklung und Prozessoptimierung für das automatisierte Preforming komplexer Faserverbundstrukturen bei hohem Qualitätsanspruch.
Aktualisiert: 2021-12-01
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