Experimentelle Charakterisierung und numerische Simulation des Automated Fiber Placement (AFP)-Prozesses für thermoplastische Faserverbundkunststoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Drechsler; Professor Dr.-Ing. Alexander Popp
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325153381

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurde die experimentelle Charakterisierung und numerische Simulation des Automated Fiber Placement (AFP)-Prozesses fur thermoplastische Faserverbundkunststoffe (FVK) angestrebt, um daraus Erkenntnisse und Vorhersagemethoden fur den AFP-Prozess zu generieren. Getrieben durch das hohe und stetig steigende Interesse an TP-AFP bei einem gleichzeitigen Mangel an belastbaren wissenschaftlichen Aussagen zu dessen Ablauf und gezielter Steuerung sollte das Prozessverständnis und die simulationsbasierte Vorhersage von Bauteileigenschaften verbessert werden, um TP-AFP näher an den industriell benotigten Reifegrad heranzuführen. Insbesondere die richtige Wahl geeigneter Prozessfenster für die wichtigsten Schlüsselparameter wie Laserleistung, Ablagegeschwindigkeit und Anpressdruck entscheiden über eine gleichbleibend hohe Bauteilqualität für verschiedene Materialsysteme und Ablageformen. Jedoch sind bisher die Vorhersagemoglichkeiten, beispielsweise fur Eigenspannungen und Verzug, unzureichend für praktische Anwendungen. Die Gründe für diese Diskrepanz zwischen geringer Vorhersagegenauigkeit und hohem industriellem Anspruch liegen in nicht ausgereizten Möglichkeiten der Prozesscharakterisierung und der Modellbildung und Simulation. Das Ziel der Antragsteller war es daher, das Prozessverständnis im Bereich TP-AFP auf grundlegender Ebene der Material-Prozess-Interaktion zu verbessern, wozu ein tiefgreifendes Verständnis aller Komponenten und Schritte des TP-AFP-Prozesses erforderlich ist. Hierzu wurde im Speziellen experimentelle und numerische Charakterisierungen verschiedener Komponenten einer AFP-Anlage durchgeführt. Neben der Ermittlung und Beschreibung des Materialverhaltens des verwendeten Halbzeugs, einem Tape aus thermoplastischem FVK, wurde insbesondere die Konsolidierungsrolle, welche unmittelbar am Ablegevorgang beteiligt ist, eingehend untersucht. Auf experimenteller Seite wurde Materialeigenschaften ermittelt, auf numerischer Seite das Kontaktverhalten der Konsolidierungsrolle mit dem Tape und dem Ablegetisch betrachtet. Zur Verbesserung der eingesetzten numerischen Simulationsverfahren wurde Effizienz- und Robustheitssteigerungen angestrebt und erreicht, insbesondere durch neu entwickelte dynamische Lastverteilungsalgorithmen sowie durch verbesserte nichtlineare Lösungsverfahren für Kontaktprobleme. Um Verzerrungszustände in fertigen Bauteilen messen zu konnen, wurden faseroptische Sensoren (Faser-Bragg-Gitter) zuerst individuell hinsichtlich ihrer mechanischen und optischen Eigenschaften charakterisiert und anschließend wahrend des TP-AFP-Prozesses ins Bauteil eingebracht. Obwohl keine umfassende Untersuchung des Gesamtprozesses erreicht werden konnte, wurde ein tiefes Verständnis einzelner Komponenten und Schritte des TP-AFP-Prozesses generiert. Ergebnisse, wie z. B. effiziente Algorithmen zur Kontaktsimulation, sind über das vorliegende Projekt hinaus relevant fur Wissenschaft und Anwender.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Solving computational contact problems efficiently at large scale, 8th GACM Colloquium on Computational Mechanics, Kassel, Germany, August 28 - 30
  Mayr, M. & Popp, A.
  
• Solving computational contact problems efficiently at large scale, In: Proceedings of the 8th GACM Colloquium on Computational Mechanics, T. Gleim, S. Lange (Eds.), Kassel University Press, Germany
  Mayr, M. & Popp, A.
  
• Advanced Non-Linear Solution Techniques for Computational Contact Mechanics, Doktorarbeit, Technische Universitat München
  M. Hiermeier
  
• Laser-assisted thermoplastic tape placement: Effects of the consolidation roller diameter on the wedge peel strength of CF/PA6 SAMPE Europe 20 Conference, Amsterdam, The Netherlands, September 30 - October 1
  V. Zinnecker, V. Backmann, C. Stokes-Griffin, K. Drechsler
  
• Dynamic load balancing for large-scale mortar contact formulations, 91st GAMM Annual Meeting, Kassel, Germany, March 15 - 19, 2021
  M. Mayr & A. Popp
  
• Dynamic load balancing for large‐scale mortar contact formulations. PAMM, 20(1).
  Mayr, Matthias & Popp, Alexander
  
• Influence on the strain rate at room temperature of a silicone rubber used as fiber placement roller jacket, SAMPE Europe 21 Conference, Baden/Zurich, Switzerland, September 28 - 30
  V. Backmann, J. Klingenbeck, A. Popp & K. Drechsler
  
• Dynamic load balancing for contact mechanics at large scale, 15th World Congress on Computational Mechanics (WCCM 2022) & 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM 2022), Yokohama, Japan, July 31 - August 5, 2022
  M. Mayr, C. Steimer & A. Popp
  
• An Edge-Filtered Optical Fiber Interrogator for Thermoplastic Polymer Analysis. Sensors, 23(6), 3300.
  Backmann, Vincent; Dorner, Felix & Drechsler, Klaus
  
• Scalable computational kernels for mortar finite element methods. Engineering with Computers, 39(5), 3691-3720.
  Mayr, Matthias & Popp, Alexander