Qualitätsregelkreis zur Kompensation fertigungsbedingter Steifigkeitsschwankungen in FVK-Strukturbauteilen

• Quality control loop for the compensation of process-induced stiffness fluctuations for structural composite parts

Stender, Sebastian; Hopmann, Christian (Thesis advisor); Brecher, Christian (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Die Kombination der direkten Preformingverfahren 3D-Faserspritzen und Fiber-Placement stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, die Materialmenge bei der Herstellung von Verstärkungstextilien erheblich zu reduzieren. Hierdurch können bis zu 50 % der Herstellungskosten von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen eingespart werden. Allerdings führen Schwankungen des Faserspitzprozesses zu breiten Toleranzbändern der mechanischen Bauteileigenschaften. Durch den in dieser Arbeit vorgestellten Qualitätsregelkreis sollen die Flächengewichts- und Faserorientierungsschwankungen des Faserspritzprozesses erfasst und durch eine Anpassung der Ablageparameter im nachfolgenden Fiber-Placement kompensiert werden. Um eine vollständige Imprägnierung der Fasern zu gewährleisten, wird das Schussgewicht zudem für den anschließenden HD-RTM-Prozess von der Regelung auf den jeweiligen Preform angepasst. Die vorgestellten Untersuchungen haben zum Ziel, die Toleranzfelder der Torsions-, Biege- und Zugsteifigkeiten eines Bauteils nach Eingriff des Qualitätsregelkreises zu bestimmen und mit bekannten Toleranzen des 3D-Faserspritzprozesses zu vergleichen. FEM-Simulationen und praktische Experimente zeigen, dass durch die Kompensationsmaßnahmen sehr geringe Toleranzen von 3,4 % bzw. 2,2 % für die Torsions- und Zugsteifigkeit erreicht werden können, wenn die Prozessschwankungen dem Algorithmus vorgegeben werden. Aufgrund der unterschiedlichen Sensitivität der Lastfälle gegenüber der Ablageparameter des Fiber-Placement wird die Biegesteifigkeit jedoch überdimensioniert. Sind die Prozessschwankungen hingegen nicht bekannt, sondern müssen von dem Qualitätsregelkreis selbst bestimmt werden, führt eine Überlagerung der Einzeltoleranzen der Messkette dazu, dass ein Eingriff des Kompensationsalgorithmus erst bei Flächengewichtsschwankungen des Faserspritzprozesses von >45% zu einer Reduktion der Steifigkeitstoleranzen führt. Dies ist insbesondere auf die indirekte Bestimmung des Flächengewichts über eine Korrelation mit der Preformhöhe und die oberflächliche Messung der Faserorientierung mit einem Kamerasystem zurückzuführen. Die Berechnung der Werkstoffeigenschaften der Langfaserpreforms für das physikalische Regelmodell unterliegt hingegen nur geringen Toleranzen. Bei einer direkten Bestimmung des Flächengewichts mittels Röntgenscanner und der volumetrischen Faserorientierungsverteilung mittels Wirbelstromprüfung könnte der Qualitätsregelkreises bereits bei Flächengewichtsschwankungen von >11,4 % eingesetzt werden.