Befähigung und Optimierung des Fügewickelverfahrens zur Verarbeitung von faserverstärkten Thermoplasten für die Herstellung von Fachwerkstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Fleischer
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397377132

Der Einsatz von Leichtbaulösungen vermindert den Energiebedarf von bewegten Systemen und erhöht die zulässige Nutzlast verschiedenster Anwendungen. Eine der effektivsten Formen des Systemleichtbaus sind Fachwerke, die entsprechend der Hauptlastpfade ausgelegt sind. Bei Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen und einer gleichzeitig geringen geforderten Masse bietet sich die Verwendung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) an. Da innerhalb eines Fachwerkes mehrere Profile miteinander verbunden werden, beeinflusst die Fügetechnologie maßgeblich die spätere Festigkeit und Steifigkeit der Struktur. Die vorhandenen Techniken zum Fügen von FKV eignen sich nur bedingt zur Herstellung eines Fachwerkes. Vor diesem Hintergrund wurde am wbk Institut für Produktionstechnik das Fügewickeln entwickelt, bei dem die Profile durch mehrfache Umwicklung eines robotergeführten Wickelrings mit duroplastischen Towpregs gefügt werden. In einem ersten Förderprojekt wurde bereits ein grundlegendes Prozessmodell für eine hohe Prozessgenauigkeit und Reproduzierbarkeit entwickelt und validiert. Um die Kosten des Fügewickelns zu reduzieren und die Gestaltungsfreiheit innerhalb der Fachwerke zu erhöhen, soll in Rahmen des beantragten Forschungsprojekts eine Befähigung und Optimierung des Fügewickelns mit faserverstärkten Thermoplasten erarbeitet werden.Durch Vorarbeiten mit einer in den aktuellen Wickelring integrierten Wärmequelle konnte die generelle Machbarkeit des Wickelns von faserverstärkten Thermoplasten mit dem robotergeführten Wickelring unter Beweis gestellt werden. Im Projekt sollen die Wirkzusammenhänge beim Fügewickeln mit faserverstärkten Thermoplasten untersucht und geeignete Fertigungsparameter mittels einem statistischen Versuchsplan abgeleitet werden. Zudem wird das bestehende Simulationsmodell für die Wickelkinematik aus dem Förderprojekt für die neue Anlagentechnik erweitert.Parallel dazu wird ein numerisches Modell für die Steifigkeits- und Festigkeitsberechnung aufgebaut. Im Anschluss folgt die Erarbeitung einer Methodik zur mechanischen Optimierung der Fügeverbindung unter Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen. Durch Einsatz eines genetischen Algorithmus soll die mechanische Festigkeit der Fügeverbindung weiter erhöht werden. Das Simulationsmodell und die Methodik zur mechanischen Optimierung sollen schließlich durch mechanische Prüfungen an einem dafür aufgebauten Versuchsstand validiert werden. Zusätzlich werden die Probekörper durch computertomographische Messungen auf die vorliegende Schadensart und hinsichtlich des Versagensortes untersucht. Aus den Ergebnissen lässt sich das Potential des Fügewickelns mit faserverstärkten Thermoplasten abschließend ermitteln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen