Figure 4: Robot assisted 3D preform analysis (IFB) of a damaged preform with fiber angle recognition (FIBRE)

Hochqualitative CFK-Umformteile durch synchrone Bauteil- und Prozessentwicklung

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Realisierung hochqualitativer CFK-Umformteile durch ganzheitliche Bauteil- und Prozessentwicklung am Beispiel des automatisierten Preformings mit robotergestützter Fasermesstechnik

Dr.-Ing. Farbod Nezamia,1, Dipl.-Ing. Jan-Philipp Fuhra,c,2 , Dipl.-Ing. Diego Schierlea,3, Prof. Dr.-Ing. Chokri Cherifb,4, Prof. Dr.-Ing. Peter Middendorfc,5

a CIKONI composites innovation, Nobelstraße 15, 70569 Stuttgart
b Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik, TU Dresden, 01062 Dresden
c Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart, 70569 Stuttgart

Abstrakt

Die Reduktion von Fertigungskosten und die Erfüllung der Leichtbauziele bei umformtechnisch hergestellten CFK-Bauteilen kann nur gelingen, wenn Qualität ganzheitlich gedacht und geplant wird. Am Beispiel des automatisierten Preformings wird ein holistischer Entwicklungsansatz vorgestellt, der sich von der Verfahrensauswahl über die Prozessgestaltung und Fehlererfassung bis hin zur strukturmechanischen Analyse von Fertigungseinflüssen erstreckt.

Qualitätsmängel als Kosten- und Gewichtstreiber

Qualität, Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit spielen bei der Serienfertigung von Faserverbundbauteilen eine entscheidende Rolle. Die umformende Verarbeitung von Faserhalbzeugen bietet ein hohes Automatisierungspotential und ist in Verbindung mit LCM-Verfahren auch für mittlere bis hohe Stückzahlen geeignet.

Der Prozessschritt “Preforming” besitzt für die Qualität eine Schlüsselrolle. Defekte, die hier entstehen, können zum Ausschuss ganzer Preforms führen, nachfolgende Prozessschritte beeinflussen oder durch Falten Beschädigungen der Werkzeuge herbeiführen. Ungeeignete Geometrien können darüber hinaus aufwändige Überarbeitungsschleifen der Werkzeuge erforderlich machen.

Zudem ergeben sich erst durch die Umformung auf die Bauteilgeometrie die finalen Faserwinkel und weitere Qualitätsmerkmale, die maßgeblich das Bauteilverhalten bestimmen. Da die tatsächliche Preformqualität sowie deren Einfluss auf das Bauteil oft nicht hinreichend bekannt sind, werden CFK-Komponenten häufig überdimensioniert, um Unsicherheiten bei der Auslegung zu kompensieren. Faserverschiebungen, Welligkeiten oder der Verlust der strukturellen Integrität der Halbzeuge spiegeln sich direkt in der Bauteilperformance wider, sind jedoch in der initialen Bauteildimensionierung selten berücksichtigt [1].

Ein ganzheitlich verfolgter Qualitätsansatz trägt somit nicht nur zur Einsparung von Produktionskosten bei, sondern kann auch den Leichtbaugrad und die Performance der Struktur verbessern, wenn er frühzeitig Eingang in die Bauteil- und Prozessentwicklung findet.

Qualität durch ganzheitliche Ansätze optimieren und sichern

Eine Besonderheit der Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe stellt die starke Wechselwirkung zwischen dem zugrundeliegenden Fertigungsverfahren und der Leichtbauzielstellung dar. Je früher die Abhängigkeiten in der Bauteil- und Prozessentwicklung berücksichtigt werden, desto kürzer können Entwicklungszyklen ausfallen und frei werdende Ressourcen auf die weitere Steigerung des Leichtbaugrades konzentriert werden.

Der vorgestellte holistische Ansatz zur Qualitätsoptimierung für umformtechnisch hergestellte Faserverbundstrukturen basiert auf den vier Säulen Prozessplanung, Fertigung, Fehleranalyse und Strukturanalyse, zwischen denen jeweils ein Austausch von Informationen stattfinden muss (Abbildung 1). Qualitätskriterien für die Preformfertigung ergeben sich dabei aus numerischen Strukturanalysen, da pauschale Grenzmusterkataloge den komplexen Spannungssituationen im Werkstoff nicht gerecht werden können.

Vier Säulen der Qualitätssteigerung am Beispiel der CFK-Preformfertigung
Abbildung 1: Vier Säulen der Qualitätssteigerung am Beispiel der CFK-Preformfertigung

Qualität durch softwaregestützte Methoden planen

Für umformtechnische CFK-Fertigungsverfahren ist die erzielbare Qualität als System aus Geometrie, Halbzeug und Prozess sehr eng mit der resultierenden Werkstoffmechanik verknüpft. Die komplexen Wechselwirkungen sind entsprechend in der Planungsphase zu berücksichtigen, um bestmögliche Lösungen zu erzielen.

Das notwendige Prozessverständnis für eine bottom-up basierte Prozessauswahl kann über datenbankbasierte Tools erfolgen, ersetzt jedoch nicht die Detailstudie mit gekoppelter Prozess- und Bauteilsimulation, wie sie im Falle des Preformings mit einer Drapiersimulation erfolgt [2]. Hierbei sind neben der Kenntnis der prozessseitig möglichen Optimierungsmethoden auch aussagefähige Materialcharakterisierungen der eingesetzten Halbzeuge notwendig, wie in Abbildung 2 unter anderem für die Scher-, Binder- und Interaktionscharakterisierung gezeigt. Über experimentelle Ansätze zur Messung der Halbzeugintegrität und die kombinatorische Bewertung der Verformbarkeit ergeben sich zudem Möglichkeiten, vergleichende Drapierbarkeitskennwerte für verschiedene Halbzeuge zu ermitteln und die Herstellbarkeit des Bauteils simulativ für den gewählten Prozess und das eingesetzte Halbzeug zu bewerten [3].

Abbildung 2: Material-und Prozesscharakterisierung der Faserhalbzeuge
Abbildung 2: Material-und Prozesscharakterisierung der Faserhalbzeuge

Qualität durch bauteilspezifische Prozessentwicklung realisieren

Zur zügigen Prozessentwicklung werden modulbasierte, morphologische Methodenkataloge eingesetzt, wodurch kundenseitig eine große Transparenz und Kostenkontrolle gegeben ist und bereits in der Planungsphase der Grundstein für eine systematische Entwicklung gelegt wird. Hierbei kann beispielsweise der Automatisierungsgrad und Qualitätsanspruch gezielt dem Kundenwunsch und den Bauteilanforderungen entsprechend angepasst werden.

Umfangreiche Möglichkeiten zur Verbesserung der Bauteilqualität (zum Beispiel über aktive Materialführungssysteme und Werkzeuggestaltung [4]) können gezielt untersucht und eingeplant werden. Aktuell zeigt sich der Nutzen daraus besonders für Bauteile, die im Prepregverfahren kostenintensiv für mittlere Stückzahlen hergestellt wurden und nun durch vereinfachte Automatisierungslösungen mittels hochqualitativem Preforming textiler Halbzeuge und anschließender Flüssiginfiltration hergestellt werden.

Besonders die Prozessgestaltung und die Lagenschichtung haben großen Einfluss auf die erzielbare Umformqualität. Abbildung 3 zeigt am Beispiel der Mehrlagendrapierung von Gewebehalbzeugen auf eine L-förmige Geometrie zwei Preform-Ergebnisse ohne (A) und mit dem aktiven Materialführungssystem „Tailored Drape“ (B) [5]. Die Fehlereinflusszone mit starken Ondulationen im Mittenbereich von Preform A kann durch Anpassungen der Prozessführung und der Bauteilgestaltung deutlich verkleinert werden. Besonders für formkomplexe Geometrien, hochbeanspruchte Bauteile oder für Sichtflächen hat sich der Einsatz einzellagenspezifischer Materialführungssysteme und der aktiven Reibungsreduktion für die Mehrlagenumformung mit steifen Werkzeugsätzen als zielführend erwiesen [4].

Abbildung 3: Preformvarianten am Beispiel einer L-Form und Preforming-Vorrichtung mit Einzellagenmaterialführung für mittlere Seriengrößen
Abbildung 3: Preformvarianten am Beispiel einer L-Form und Preforming-Vorrichtung mit Einzellagenmaterialführung für mittlere Seriengrößen

Qualität erfassen und analysieren

Um die Preformqualität unterschiedlicher Prozessvarianten bei der Verfahrensentwicklung und im Serienprozess quantitativ zu bewerten, werden die dafür relevanten Merkmale am umgeformten Bauteil erfasst. Für diese Aufgabe wird ein Sensor zur robotergestützten Preformanalyse genutzt, der am Institut für Flugzeugbau in Zusammenarbeit mit dem Faserinstitut Bremen entwickelt und aufgebaut wurde [6]. Das System ermöglicht die automatisierte, hochqualitative Erfassung der Oberflächentextur komplexer Bauteilgeometrien und die anschließende bildanalytische Auswertung lokaler Faserwinkel, Welligkeiten oder Gaps (Abbildung 4).

Abbildung 4: Robotergestützte 3D-Preformanalyse (IFB) einer geschädigten Preform mit bildanalytischer Faserwinkelerkennung (FIBRE)
Abbildung 4: Robotergestützte 3D-Preformanalyse (IFB) einer geschädigten Preform mit bildanalytischer Faserwinkelerkennung (FIBRE)

Die Prozesskette zur vollflächigen 3D-Preformanalyse besteht aus einer virtuellen Bildplanung und Roboterprogrammierung, der optischen Bauteilerfassung und der anschließenden Übertragung der Faserwinkel in ein kundenspezifisches FE-Format zur Visualisierung und Weiterverarbeitung (Abbildung 5). Die Analyseergebnisse liegen damit in gleicher Form vor wie die Ergebnisse aus der Drapiersimulation und fügen sich damit nahtlos in bestehende CAE-Prozessketten ein.

Abbildung 5: Prozessschritte der 3D-Faserwinkelmessung
Abbildung 5: Prozessschritte der 3D-Faserwinkelmessung

Die Preform-Varianten A und B werden mithilfe des Verfahrens digitalisiert und gegenübergestellt (Abbildung 6). Die Einflüsse der Prozessführung auf den Scherwinkel des umgeformten Gewebes werden dadurch sichtbar und quantifizierbar. Dieses Analysewerkzeug ermöglicht eine Verbesserung der Entwicklungsprozesse für CFK-Teile, da es eine exakte Bewertung und Dokumentation der Faserorientierungen ermöglicht. Es eignet sich darüber hinaus für die Qualitätssicherung in Serienprozessen und die Streuungsanalyse von Eigenschaften und Merkmalen im Produktionszyklus. Eine Adaption auf andere Halbzeuge und Umformverfahren (Nasspressen, Organoblechumformung, Hybridgarnfertigung oder ähnliches) ist möglich.

Abbildung 6: Robotergestützte optische Faserwinkelmessung an zwei Preform-Varianten
Abbildung 6: Robotergestützte optische Faserwinkelmessung an zwei Preform-Varianten

Qualitätseinflüsse numerisch bewerten und absichern

Durch die Nutzung von numerischen Simulationsmethoden lassen sich ohne Notwendigkeit aufwändiger Tests bereits frühzeitig belastbare Aussagen zum Einfluss der Preform-Qualität auf die Bauteilmechanik treffen.

Die Messergebnisse der 3D-Preformanalyse werden dazu direkt in FE-Berechnungsmodelle übernommen. Abbildung 7 zeigt den Modellaufbau für einen Testlastfall am Beispiel der L-Form unter Verwendung der optisch erfassten Faserwinkel der Preforms-Varianten. Als Referenz wird zusätzlich ein Modell mit idealisierten Faserwinkeln ohne prozessbedingte Schereinflüsse aufgebaut, wie es in der Auslegung häufig zum Einsatz kommt.

Abbildung 7: Statischer Lastfall zur strukturmechanischen Bewertung der Drapiereinflüsse
Abbildung 7: Statischer Lastfall zur strukturmechanischen Bewertung der Drapiereinflüsse

Die Auswertung der maximalen Schichtspannungen in Faserquerrichtung (Abbildung 8) zeigt den Einfluss der Drapierung deutlich. Während das idealisierte Modell keine nennenswerten Querspannungen vorhersagt, führt die Verscherung der Halbzeuge in den beiden Preforms zu Werten von bis zu 25 MPa, was bereits eine kritische Höhe für das Auftreten von Zwischenfaserbrüchen darstellt.

Abbildung 8: Numerisch ermittelte Schicht-Querspannungen anhand realer Faserwinkelverläufe
Abbildung 8: Numerisch ermittelte Schicht-Querspannungen anhand realer Faserwinkelverläufe

Die verbesserte Umformqualität von Preform B spiegelt sich sowohl in den Schichtspannungen als auch in einer geringeren Verschiebung unter Belastung wider. Diese fällt um rund 20 % niedriger als bei Preform A und etwa 10 % niedriger als bei der idealisierten Modellvariante mit projizierten Faserwinkeln aus (Abbildung 9).

Das Beispiel verdeutlicht die Notwendigkeit, reale Faserwinkel in der Struktursimulation zugrunde zu legen, da diese das Verhalten der Struktur und die anisotropen Spannungen in den Einzelschichten beeinflussen. Eine idealisierte Annahme kann zudem ein erhebliches Auslegungsrisiko beinhalten. Mithilfe eines Versagensmodells kann die korrekte Faserwinkelmodellierung in gleicher Weise auch für Festigkeits- und Schädigungsanalysen in der Crashberechnung genutzt werden [7].

Abbildung 9: Einfluss der Faserwinkelmodellierung auf die Verschiebung unter Last
Abbildung 9: Einfluss der Faserwinkelmodellierung auf die Verschiebung unter Last

Zusammenfassung und Ausblick

Um CFK nachhaltig als serientauglichen Leichtbauwerkstoff mit hohem Qualitätsanspruch zu etablieren, sind holistische Entwicklungsansätze erforderlich, wie sie am Beispiel des automatisierten Preformings aufgezeigt wurden. Eine enge Verzahnung von Prozessentwicklung, faserverbundgerechter Fertigung, Fehleranalyse und Strukturanalyse schafft dabei die Voraussetzung für hohe Qualität, Zuverlässigkeit und die optimale Nutzung des Leichtbaupotentials, womit als Sekundäreffekt auch die Senkung von Produktionskosten einhergeht. Durch das vorhandene, methodisch aufgearbeitete Prozessentwicklungswissen kann auch für kleine und mittlere Serien eine günstige Automatisierungslösung entwickelt werden. Hierbei erlaubt insbesondere die einzellagenspezifische Materialführung über aktive Zwischenlagen eine reproduzierbare und verschnittreduzierende Fertigung.

Die Verzahnung der optischen Preformanalyse zur Erfassung von Qualitätsmerkmalen und der numerischen Struktursimulation eröffnet zudem Möglichkeiten für eine werkstoffgerechte Definition von Toleranzgrenzen in der Qualitätssicherung. Die Nutzung von strukturmechanisch abgesicherten lokalen Grenzmustern anstelle pauschaler Kriterien schafft mehr Spielraum für eine aktive Prozessgestaltung, vermindert die Notwendigkeit kostspieliger Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung in Bauteilzonen mit geringer Struktursensitivität und reduziert unnötigen Bauteilausschuss.

Mehr zur Drapiersimulation auch in unserer Präsentation.

Kontakt

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Literaturverzeichnis

[1] Michael Freitag: Produktionsprobleme beim BMW i3, manager magazin, 2014.

[2] Thomas Gereke, Oliver Döbrich, Matthias Hübner, Chokri Cherif: Experimental and computational composite textile reinforcement forming: A review, Composites Part A Applied Science and Manufacturing, 2013.

[3] Farbod Nosrat Nezami, Thomas Gereke, Christian Eberdt, Chokri Cherif: Characterisation of the shear–tension coupling of carbon-fibre fabric under controlled membrane tensions for precise simulative predictions of industrial preforming processes, Composites Part A Applied Science and Manufacturing, 2014.

[4] Farbod Nosrat Nezami: Automatisiertes Preforming von Kohlefaserhalbzeugen mit aktiven Materialführungssystemen zur Herstellung komplexer Faserverbundstrukturen. Epubli Verlag, 2015.

[5] Frank Härtel, Farbod Nezami, Nicolas Schur: Innovative Preforming-Routen für die Herstellung von CFK-Bauteilen, Lightweight Design, 2015.

[6] Jan-Philipp Fuhr, Patrick Böhler, Frieder Heieck, Andrea Miene und Peter Middendorf: Optische Preformanalyse zur 3D-Validierung der Drapier- und Flechtsimulation, Fachtagung Carbon Composites, Augsburg, 2014.

[7] Jan-Philipp Fuhr, Nico Feindler und Peter Middendorf: Virtuelle Bewertung von Drapiereinflüssen auf die Steifigkeit und Festigkeit von schichtbasierten Faserverbundstrukturen, NAFEMS Seminar, Leipzig, 2014.