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Perfekte Lage

Das AFP ist ein Prozess zur automatisierten Fertigung von Carbonfaser-Bauteilen, der vor allem in der Luftfahrt Anwendung findet. Bei Aktivierung der carbonfaserverstärkten Prepreg-Tows treten konturbedingt Defekte durch übermäßige Wärmeeinbringung auf, die zum Verlust des Bauteils führen können. Zur Reduzierung des Überhitzungsrisikos wurde ein PXI-System mit integrierter Echtzeitregelung entworfen. Die Ablagefläche wird mit einer IR-Kamera erfasst und die Bilder mittels eines Algorithmus segmentiert, um die Leistung der Wärmequelle zu regeln.

Bild: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Legekopf der AFP-Anlage beim Ablegen von Prepreg-Tows

Für die Herstellung von Strukturen aus Carbonfasern wird vor allem in der Luftfahrt die Technologie des automatisierten Fiber Placements (AFP) eingesetzt. Mit der Technologie können komplexe 3D-Geometrien erstellt und durch den Lagenaufbau beliebige Materialstärken erreicht werden. Die Anlage zum Fiber Placement wird mit unidirektional endlosfaserverstärkten, vollständig imprägnierten und konsolidierten Bändchen (Tows) beschickt. Ein klimatisierter Schrank versorgt die Anlage über Spulenlager mit der gewünschten Anzahl an Tows. Ein am Endeffektor des Roboters montierter Legekopf rollt die Tows auf die Werkzeugoberfläche ab. Die Fixierung der Tows auf dem Untergrund erfolgt dann durch eine Aufheizvorrichtung. Als Hitzequelle dient dazu eine Infrarotlampe, die am Legekopf montiert und auf das Material gerichtet ist. Die Tows werden weiter über die Schmelztemperatur des auf den Tows aufgebrachten Bindermaterials erhitzt, sodass das abgelegte Material auf dem Untergrund anhaftet und sich eine stabilisierte Preform bilden kann. Durch Anpressdruck wird der Werkstoff auf der Werkzeugoberfläche platziert. Es handelt sich um eine autoklav-freie Fertigung. Die Legetechnik erweist sich bei ebenen Strukturen als sehr robust. Gekrümmte Konturen stellen dagegen eine Herausforderung dar. Bei der Aktivierung der Faserhalbzeuge durch IR-Bestrahlung wird großflächig Energie eingebracht. Als Folge tritt bei komplexen Geometrien eine inhomogene Temperaturverteilung auf, die zum Totalverlust des Bauteils führen kann, was durch eine dynamische Anpassung des Wärmeeintrages verhindert werden kann. Die Anlage steuert die Bestrahlung nur näherungsweise in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Tool Center Points (TCP) des Endeffektors. Eine aktive Regelung ist nicht implementiert. Erschwert wird die Situation bei gekrümmten Oberflächen. Der Legekopf des Roboters fährt an den Kanten mit geringerer Geschwindigkeit. Da sichergestellt werden muss, dass die Lagen stabil aneinander haften, wird die Leistung der IR-Lampe meist überproportional hoch eingestellt. Somit kommt es besonders an diesen Stellen zu einem erhöhten Hitzeeintrag, wodurch die Faserstrukturen beschädigt werden können.

National Instruments Germany GmbH

Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 1+2 2016 - 02.02.16.
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