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Folie 1 > Abt 43511 > Dr. Dudenhausen> 06.05.2009

Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung

Rechnergestützte Bauteilgestaltung

Aspekte der automatisierten Fertigung von Faserverbundstrukturen

Dr. W. Dudenhausen

Folie 2 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009

Forschungsschwerpunkte der AbteilungRechnergestützte Bauteilgestaltung

Hochleistungs-Leichtbau-Strukturen für die Luftfahrt und den Verkehr

• Allgemeine duromere Faserverbundstrukturen

• Allgemeine thermoplastische Faserverbundstrukturen

• Strukturen für die Verkehrstechnik

• Triebwerksstrukturen

• Hochauftriebsstrukturen



Der Schwerpunkt liegt auf:

• Verarbeitung von Harzsystemen mit Glaspunktstemperatur TG > 250°C für polymere Hochleistungs- und Hochtemperatur-Strukturen in Kombination mit Metallen,

• Vakuuminfusionsverfahren (VARI) für großflächige Luftfahrtbauteile,• Endlosfaser verstärkte Thermoplaststrukturen aus CF-PEEK vorwiegend in der Luftfahrt,

• Auslegung und Fertigung von stehenden und rotierenden Strukturen im Triebwerk,• Bereitstellung von Prozessketten vom Entwurf bis zum fertigen Bauteil für faserverstärkte Bauteile im Flugzeug und im Triebwerk,

• Online-Monitoring der angewandten Verfahren und zur Qualitätssicherung,• Technologietransfer patentierte Verfahren.

Konstruktion, Herstellung und Fertigungsautomatisierung von faserverstärkten Polymerbauteilen für die Luftfahrt und Triebwerke.


B737-300 B747-400

B787

A300 A310-200

A320 A340-300A340-600

A380

MD80B757 B767 MD90

B777

A400M

A350 XWB

0%

10%

20%

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40%

50%

60%

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Jahr des Erstfluges

Fas

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m S

truk

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Bildquelle: Airbus

Entwicklung des Einsatzes von CFK im Flugzeugbau

A380

A350


J-Nose

Sektion 19.1

Seitenleitwerk

Höhenleitwerk

Sektion 19DruckschottFlügelrippenFlügelkasten

Bildquelle: Airbus

Leichtbau durch Carbonfaser-Kunststoffverbunde (CFK)Airbus A380 – CFK-Anteil 22%


Carbonfaser-Kunststoffverbund (CFK)Schritte zur Herstellung von Faserverbundbauteilen

Quellen: Carbon Composites, Neobotix, Premium Aerotec, DLR

Vorbereitung

Ablegen in die Form- Gewebe - Tapes

InfiltrationAushärtung

BearbeitungFormgebung

Infiltration mit Vakuum, autoklavlos- Gewebe, NCF- Tape, Autoklav

WärmebehandlungEntformenFräsen, Bohren, Besäumen

- Automatisierter Zuschnitt von textilen Halb-zeugen, Prepreg


Bildquelle: Flugrevue A350XWB

480 Flugzeuge pro Jahr

480 Rümpfe

> 40.000 Spante> 100.000 Stringerelemente

1920 Flügelhalbschalen> …

480 Seitenleitwerke> …

960 Höhenleitwerke> …

Entwicklung des Einsatzes von CFK im Flugzeugbau

d.h. Zielkadenz: 40 Flugzeuge im Monat


Polymere CFK-Struktur

Tempern

Bearbeitungstechnolgie

Vakuum-infusion

Resin Transfer Molding

Vakuum-Konsolidieren

Rovingwickelnund Tapelegen

Heisspress-technik

Autoklav-prozess


Auslegung und Berechnung

Fertigungs-Technologie

Bauteile für Luftfahrzeuge und Triebwerke


Automatisierungsmöglichkeiten

Analyse der Produkte:

• Fertigungsprozesse

• Fertigungstechnologie

• Komplexitätsgrad der Bauteile

• Mitarbeiterqualifikation

• Stückzahlen

• ….. U.v.m.

Hugh Sung


C-Holme

Rippen

Studie zur Serienfertigung von Rippen und C-Holmen mit VARI für ein Airliner-Seitenleitwerk

Vakuum unterstütztes Harzinfusionsverfahren (VARI)

Demonstrator für ein neuartiges Rumpfkonzept


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10

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Man

ufac

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ost (

%)

Prepreg ThermosetVersion

ThermoplasticPEEK Version

Labour CFRP Tooling

Vakuum Konsolidierungsverfahren mit Endlosfaser verstärkten Thermoplasten

2,75

m

Kalkuliert von EADS-M

� Senkung der Fertigungskosten um ca. 28 % gegenüber der Duromer-Variante

� InSitu-Konsolidierung und Fügung

� Schweißverfahren für Thermoplaste

Beispiel: Seitenruder für ein generisches Kampfflugzeug


Thermoplast-Technologie für Triebwerke

• Fan-Schaufel in Hybrid-Bauweise aus Titan/CF-PEEK

• Reduktion der rotierenden Massen und Schwerpunkts-verlagerung für stärker geschränkte Blätter

• Rechenverfahren zur Auslegung hybrider Strukturen

DLR-Studie


Zweistufiger Niederdruckverdichter

Fanblatt in Hybridtechnologie durch Konsolidieren von CF-

PEEK auf Titan

Verbesserung und Modifikation der

Anbindung

Adaption der Hybridstruktur durch

Schweißtechnik


Herstellung des NDV - Fanblattes

• Herstellung der Blattvorderkante bzw. der Konsolidierungsform mit Hilfe von Stereolitho-graphiemodellen

• Keramische Formentechnologie:

• Kostengünstig und hochtemperaturtauglich


Herstellung des NDV - Fanblattes

• Reales Lagenstacking innerhalb einer Keramikform

• Simulation des Lagenaufbaus als Basis für entsprechende NC-Programme zum Beschnitt der UD-Prepreglagen


VITAL strukturelles OGV

DLR Konzept:

• Nutzung hybrider Bauweisen basierend auf den Erfahrungen aus dem NDV (Gewichts und Kostenreduktion)

• Auslegung der Strukturen mittels entwickeltem Strukturmodell

• Bündelung der Kompetenzen von BK und WF zur Demonstration der Leistungsfähigkeit von Hybridstrukturen

Serienaspekt: 1000 Triebwerke mit 32 Schaufeln pro Jahr ergibt 32.000 Schaufeln = 87 Schaufeln pro Tag (365 Tage)


Infiltrationsaufbau vor dem Einpacken

CAD-Ansicht des Werkzeugesflexibles Seiten-werkzeug (rot)mit Stahlkern (grün)

700 mm

Beispiel: PI-Sektionen für strukturelle Anwendungen

� Infiltrationswerkzeug für die Pi-Sektion (EU-Projekt MoJo)


� Verifikation der Herstellung und des Werkzeugkonzepts für MOBA Muschelschale

Beispiel: Druckschott mit doppelt gekrümmter Schale und Rippen

• Drapierung von NCF auf verrippte Membranoberfläche

• Untersuchung der lokalen Unstetigkeiten

Größe: ca. 4m x 2,50m


Beispiel: Zugschnauze New Generation Train mit Impactschutz

� Fertigung einer NGT-Nasenkappe in vorhandener Form (Low Budget)

Demonstrator aus GFK mit infiltriertem Kettengeflechtzur Erhöhung der Impact-Sicherheit des GFK


Computersimulation und reale Welt

Fertigungs- und Konstruktionsumgebung im Rahmen der automatisierten Fertigung (bis 1999)

Computer-

Simulations-Zelle

Fertigungs-Zelle


NX2 NX4 NX6…

DXFIGES

STEP 203

STEP 214

VAD/FS

NeutraleEbene

Pre-Processor

Geometrie

NC3 Achs5 Achs

Roboticsbis UG16

RobCAD(Tecno-matix)

UG/SolidEdge-Prt

MSC/ Patran

AnsysPre-

SIMPACK

MSC/ Nastran

Ansys ESILS-Dyna

PER-MAS

Dyna-3D

Solver

Ansys PostMSC/PatranPost-Processor

IGES

Datenschnittstellen, Pre- und Postprozessoren


Wickeln ebener Laminate mit einem Industrieroboter

• Simulation des Wickelvorganges mit Kollisionsprüfung und Pfadoptimierung (links)

• Arbeitsvorbereitung und Justierung am Industrieroboter (rechts)


• Belegen von Flächen mit biegeschlaffen Zuschnitten.

• Abziehen von Folien von klebrigen und nichtklebrigen Prepregs.

• Gezieltes Aktivieren und Deaktivieren von Klebrigkeit.

• Einfügen von vorgefertigten Bauelementen und Versteifungen.

• Handhaben von Waben und Paketieren.• Montagehilfe, Einfügen von

vorgefertigten Bauelementen und Versteifungen.

Endeffektor zum Abziehen von Deckfolien vom Prepreg

Technisches KonzeptHandhabung


Technikumsanlage bei IBK

� Tapelegen mit Tapelegkopf (75mm)

� Herstellen gekrümmter Strukturen mittels Prepregtapes (1988-1996)

� Stapeln von MAG

� Roboterzelle mit Endeffektor z.B. Folienabzug


Fertigungsentwicklung für kostengünstige Faserverbundstruktuen

• Ablegen von uni-direktionalen Tapes (Prepregs und trockenen Halbzeugen) in Paketen z.B. für Triebwerksteile.

• Kombination des Tapeablegekopfesmit der rotierenden Achse der Wickel-einheit.

• Verwendung von polymeren Harz-systemen für Einsatztemperaturen über 150° C

• Online-Monitoring durch Video-Bildanalyse


Bereich zur

Spaltanalyse

Spalt unterschiedlicher Breite

Qualitätssicherung (Online)

Spalterkennung

• Übertragung von Laborversuchen auf den Fertigungsablauf.

• Versuch der Integrationder numerischen Spalterkennung auf die Positionsbestimmung des Tapeablegekopfes.


Qualitätssicherung (Online)

Fehlstellenerkennung

• Versuch durch Fehlstellenerkennung die Fertigungsqualität des Tapeablegekopfeszu beurteilen.

• Reaktionen für den nächsten Arbeitsschritt ableiten und an die Steuereinheit übertragen.

Bereich der

Blasenanalyse

Situationsabhängige Reaktion


� Konzeptvorschläge für die Außenstelle Augsburg des ZLP

Planung Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP)

• Erarbeitung von Hallenausnutzungs-plänen

• Konzeptionelle Fertigungsplanung am Beispiel eines Rumpfsegmentes

• Akquisition des Vorhabens AZUR-ZLP mit 2,5 Mio € für FA und BK


Automatisierte CFK-Produktionstechnologie

Von der Manufaktur und Teilautomation… .. zur automatisierten Produktion


Automatisierte CFK-ProduktionstechnologieKooperierende Robotersysteme

• Kooperative, anta-gonistische und flexible Roboter-systeme

• Bahnoptimierung

• Dynamik und Steuerungs-algoritmen

• Sensortechnik

• Rückkoppelnde Positioniersysteme

• Endeffektoren(Ablageköpfe, etc)


Automatisierte CFK-ProduktionstechnologieEndeffektor-Technologie

Bildquelle: Coriolis SA


Vision: Fertigungszelle mit kommunizierenden Roboto ren

� Formpositionierung und Formenbewegung

� Ablegen von textilen Halbzeugen und Inserts

� Applizieren mittels Endeffektoren

� Sensorsteuerung und Überwachung

� Hallenglobale Positions-überwachungund Positionsvorgabe mittels lasergestütztem Messverfahren


Wir forschen für fliegende Bauweisen und Konstruktionen

Abteilung Rechnergestützte Bauteilgestaltung

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Wir arbeiten interdisziplinär, weil wir von einander lernen

Folie 34 > Abt 43511 > Dr. Dudenhausen> 06.05.2009

Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung

Bauweisen Kolloquium 2009

Herzlich Willkommen im DLR Standort Stuttgart

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