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Ausgangssituation

Der Einsatz faserverstärkter Kunststoffe (FVK) beschränkt sich aktuell weitgehend auf hochpreisige  Anwendungen  im  Bereich  der  Luft-  und  Raumfahrt  oder  dem  automobilen  Rennsport. Es existieren jedoch weitere potenzielle Einsatzfelder, beispielsweise im Bereich des kommerziellen Fahrzeug- und Werkzeugbaus. Die Vorteile von FVK gegenüber konventionellen Konstruktionswerkstoffen liegen in der Möglichkeit der flexiblen Bauteilgestaltung und in exzellenten gewichtspezifischen mechanischen Eigenschaften. Letztere  machen FVK zu einem Leichtbauwerkstoff, der unter anderem prädestiniert ist, dem stetig wachsenden Gewicht moderner Kraftfahrzeuge entgegen zu wirken.

Für die mittelständische Zuliefererindustrie des Fahrzeug- und Maschinenbaus bedeutet die Herstellung  von  technisch  anspruchsvollen  Faserverbundbauteilen  ein  wichtiges  und  wirtschaftlich  lohnendes  Betätigungsfeld.  Die  weitere  Verbreitung  von  FVK  scheitert  jedoch bisher am geringen Automatisierungsgrad der Produktion. Eine Schlüsselrolle für die Etablierung  von  FVK  in  Großserienanwendungen  kommt  daher  der  automatisierten  Handhabung dieser Materialien zu. Bemühungen, den Handhabungsprozess zu automatisieren, scheitern bislang an den hohen Anforderungen an die Technik [BER12] und an fehlenden Kenntnissen über das Verhalten biegeschlaffer Halbzeuge [Sch13].  

Aus der bisherigen manuellen Fertigung (siehe Abbildung 1) resultieren lange Prozesszeiten, geringe  Reproduzierbarkeiten  sowie  hohe  Herstellungskosten.  Zur  Qualitätssicherung  werden oft nur grobe Schablonen aufgelegt, die die hohen Anforderungen an die Faserorientierung nicht zuverlässig garantieren können.

Abbildung 1: Preformen des Carbondachs BMW M3 [BMW10]

Erste  Ansätze  zur  effizienten  Handhabung  textiler  Verstärkungsstrukturen  (Preforms)  für FVK-Bauteile  wurden  bereits  im  gemeinsamen  AiF-Projekt  „AutoPreforms“  (AiF 14420 N) [HGF08] von den vier Antragstellern umgesetzt. Automatisiert wurde die gesamte Prozesskette,  vom  Zuschnitt  über  die  Handhabung,  über  die  Schnittkantensicherung  bis  hin  zur prozessübergreifenden Qualitätssicherung. Das exemplarisch genannte Projekt zielte jedoch auf  die  Herstellung  von  Bauteilen  mit  geringer  geometrischer  Komplexität  (nur  uniaxiale Krümmung) ab. 

Komplexere, dreidimensionale Bauteile mit hohen Umformgraden, wie beispielsweise PKW-Kotflügel, stellen insbesondere an die Handhabung und Qualitätssicherung Anforderungen, denen  eine  Übertragung  bisher  existierender  Technologien  nicht  gerecht  wird.  Ziel  dieses Forschungsprojekts  ist  es,  die  Produktion  mehrachsig gekrümmter  Faserverbundstrukturen erstmalig vollständig zu automatisieren. Ermöglicht wird dies durch das gezielte Ausnutzen der Biegeschlaffheit textiler Halbzeuge, eines flexiblen Endeffektors sowie einer in den Prozess integrierten optischen Qualitätssicherung. Auf Basis von Drapiersimulationen wird die optimale Drapierstrategie und Prozessteuerung ermittelt, um z.B. die zwangsläufig auftretende Faltenbildung zu minimieren. Zusätzlich werden aus der Simulation Regeln zur Faltenbehebung abgeleitet, um korrigierend in den Drapierprozess einzugreifen. 

Das Projekt fokussiert sich auf die Fertigungsschritte Handhaben und Drapieren, da zu den übrigen Prozessschritten schon automatisierte Lösungen entwickelt wurden [Gru09, Huf07, GGG10].


[BER12]  Roland Berger, VDMA: Serienproduktion hochfester Faserverbundbauteile: Perspektiven für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau, 2012

[BMW10] BMW Group: Pressemappe Innovationstage Mobilität der Zukunft 2010. https://www.press.bmwgroup.com/pressclub/p/de/pressDetail.html;jsessinid=FyGRQyFGlPkgzZJ9HQCb8mKknxcXpjQcp8hhhgLmqHbfDvznBdXF!845309804?title=pressemappe-innovationstage-mobilit%C3%A4tderzukunft&outputChannelId=7&id=T0081729DE&left_menu_item=node__2367 (letzter Zugriff 11.09.2012)

[GGG10]  Gries, T.; Grundmann, T.; Greb, C.; Kruse, F.; Stüve, J. Technologies for series production of near-net-shape textile preforms World Journal of Engineering 7 (2010), H. 1, S. 67-74

[Gru09]  Grundmann, T.C.: Automatisiertes Preforming für schalenförmige komplexe Faserverbundbauteile. Aachen: Shaker, 2009 ; Zugl. Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

[HGF08] Henning, K.; Gries, T.; Flachskampf, P.: AutoPreforms: Gemeinsamer Abschlussbericht. Aachen, 2008.

[Huf07]  Hufenbach, Werner (Hrsg.): Textile Verbundbauweisen und Fertigungstechnologien für Leichtbaukonstrukturen des Maschinen- und Fahrzeugbaus, Dresden: SDV - Die Medien AG, 2007.

[Sch13]  Schnabel, A.: Entwicklung von lokal angepassten textilen Halbzeugen für die Großserienfertigung von faserverstärkten Kunststoffen, Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013 ; Zugl. Aachen : Shaker, 2013

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