Kinematic Description and Shape Optimization of UD-Tape Reinforcements Manufactured with a Novel Preforming Process

The preforming of UD-Tape reinforcement structures for thermoplastic components can be done in additional process steps or during the handling processes. For an efficient process chain, it is desired to avoid non value adding steps like handling. Therefore they should be combined with value adding steps. A novel process for the preforming of UD-Tape strips has been developed at wbk Institute for Production Science to achieve this. In this process, the strips will be locally heated and bent by an industrial robot as they are pushed out of a material supply unit. With the process, it is possible to efficiently preform complex reinforcement tapes without the need for component specific tools. However, the limitation to local bending deformation sets process limitations different from the present, shear based processes. In this paper, an approach to the kinematic description and shape optimization of reinforcement patches is presented. First, a syntax for the description of tape strips containing several bends is presented. Afterwards, the kinematics of the process of bending tape strips around a bendable hinge are described. A method for pre-processing the geometry data of the desired structure with the aim of limiting the solution space is presented. Based on the kinematic description and the preprocessing of the geometric data, a genetic optimization environment for the bending parameters of a tape strip is implemented. The performance of the optimization shows its potential although the specific optimization parameters still have to be improved. Results and limitations of the optimization approach are presented

Simulation based draping of dry carbon fibre textiles with cooperating robots

Carbon fibre-reinforced plastic (CFRP) is a promising material for aircraft and other lightweight applications. To be competitive with low-cost metal based solutions highly effective and flexible production technologies are required. For this purpose production systems comprising automated fibre placement or automated tape laying technology are on the market for several years and widely spread. However, there is still a lack of automated systems capable of producing preforms efficiently and flexibly from textile semi-finished goods. Non-crimp fabrics (NCF) and weaves have to undergo considerable shear and reshaping during the layup of 3D-curved preforms in order to properly fit the 2D cut pieces to the moulds. At the Center for Lightweight Production Technology (ZLP) a digital and automated process for the easy draping of large NCF and weave cut pieces with several robots according to the previous draping simulation has been set up and tested in a robotic work cell. The details of converting the draping simulation into correct and easy to setup motions for cooperating robots and how to execute the entire process autonomously, i.e. without teaching the robots, are described. On the basis of preliminary tests the system’s capabilities on a large scale demonstrator part resembling an airplane’s rear pressure bulkhead are evaluated. An overview of the system’s architecture from simulation based planning to detecting, correct gripping, collision free autonomous transport and laydown of the cut pieces is also given

Autonomous Composite Production by Robotic Pick & Place

During the last decade the DLR Center of Lightweigth Production Technology (ZLP) in Augsburg investigated the potential of the autonomous production of composite parts by means of pick and place executed by industrial robots. Starting from conventional teaching the research focus was extended to the development of technology bricks for computer vision based gripping, automated derivation of grip- and drop coordinates from CAD data, digital process description and workflow, autonomous cut-piece transfer by means of collision free path planning and a multi-robot synchronization and execution layer. The technology bricks are enriched by a process data acquisition system and controlled by a manufacturing execution system embedded into a high-level process control system. In this work we give an overview of the developed technologies and achievements based upon several use cases from the field of composite production

A methodology for the automation of dry fabric layup for fiber reinforced polymer composite manufacturing

The purpose of this thesis is to test a new method known as shearing for the layup of Non-Crimp Fabric (NCF) plies for 2-dimensional and 3-dimensional composite components. This research includes the development of a machine capable of imparting shear on NCF plies. Results are presented with an equation for calculating machine settings for a given contour. The machine is found to be capable of imparting a shear on the fabric, and the shear is found to have a significant positive impact on the quality of these samples during fabric layup. Fatigue tensile testing was conducted to understand the effect of the shearing method on the properties of composite components, and the samples produced by the machine display a fatigue life greater than samples produced by other methods. This research makes the automation of composite layup possible, which could replace high labor costs in industries such as wind turbine blade manufacturing

Optimal Control of Image Based Visual Servoing (IBVS) for High Precision Visual Inspection Applications

Visual servoing is a control technique that uses image data as feedback in a motion control loop. This technique is useful in tasks that require robots or other automated motion systems to automatically inspect parts or structures in motion. One specific method of visual servoing is Image Based Visual Servoing (IBVS), a method that simply minimizes the differences between an observed image orientation and a desired one. This method works well for orientations where the differences are small, but in the case where the desired orientation is more difficult to reach, the system can become unstable, either driving to infinity through a phenomenon known as camera retreat or following non-optimal and non-repeatable trajectories. This work attempts to address camera retreat and other non-optimal paths by applying dynamic programming, an optimal control method that can determine an optimal trajectory by partitioning possible trajectories into multiple smaller trajectories. Using a cost function to penalize undesirable sub trajectories, the optimal overall trajectory can be determined and initiated. This work attempts to explore an optimized portioned approach using dynamic programming to address camera retreat. The motivation for this is to create a high precision visual servoing sequence suitable for high tolerance automated processes; specifically, quality inspection of airplane wire harnesses

Systematic gripper arrangement for a handling device in lightweight production processes

Handhabungsgeräte sind ein integraler Bestandteil automatisierter Produktionsprozesse. Dennoch werden sie in der Regel als nicht wertschöpfend angesehen, weshalb ihre Planung und Projektierung mit geringem Zeit- und Personalaufwand so effektiv wie möglich sein sollte. Gleichzeitig bleiben sie ein wichtiger Teil der Prozesskette und müssen in diesem Zusammenhang bestimmte Bedingungen erfüllen. Um ihre Funktionalität zu gewährleisten und wenig Zeit in die Projektierung zu investieren, sind Handhabungsgeräte oft überdimensioniert. Insbesondere bei flachen Teilen führt dies zu schweren Handhabungslösungen, bei denen das Gewicht des Handhabungsobjekts und des Handhabungsgerätes in einem Missverhältnis zueinander stehen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Projektierung von Handhabungsgeräten so weit wie möglich zu automatisieren. Dieser Prozess wird am Beispiel der Prozesskette zur Herstellung von Leichtbauteilen mit den Verfahren „sheet molding compound“ (SMC) und „resin transfer molding“ (RTM) dargestellt. In einem ersten Schritt wird ein modulares Handhabungsgerät entwickelt und aufgebaut, das eine große Anzahl von Greiferanordnung ermöglicht. Mit diesem Handhabungsgerät kann dann die resultierende Durchbiegung von flachen Bauteilen mit verschiedenen Greiferanordnungen gemessen werden. Um sicherzustellen, dass es nicht immer notwendig ist die Durchbiegungen zu messen, wird mit ABAQUS ein Modell aufgebaut, das eine Simulation der Durchbiegung ermöglicht. Anhand dieses Simulationsmodells wird eine Designlogik für die Anordnung der Greifer entwickelt. Diese Designlogik arbeitet in zwei Schritten und basiert auf dem Ansatz des „growing neural gas“ (GNG), das durch die Implementierung zusätzlicher Regeln an das Problem angepasst wird. Zuerst wird eine erste Greiferkonfiguration basierend auf der Geometrie des Objekts erstellt, die dann durch einen iterativen Prozess aus Simulation und Anpassung verbessert wird. Da die Herstellung von Leichtbauteilen oft mehr als nur einen Zuschnitt erfordert, werden am Ende systematisch verschiedene Lösungen für die verschiedenen Zuschnitte zu einer Greiferanordnung zusammengefasst und ein Verfahren gezeigt, wie dies ,mit dem zuvor entwickelten modularen Handhabungsgerät realisiert, werden kann

Robotic Swing Folding of three-dimensional UD-tape-based Reinforcement Structures

Hybridbauteile aus Langfaserverstärktem Thermoplast (LFT) und unidirektional endlosfaserverstärkten (UD-) Tapes bieten die Möglichkeit zur Gewichtseinsparung bei geringeren Fertigungskosten gegenüber reinen UD-Tape-Bauteilen. In hybriden Bauteilen wird die einfache Verarbeitung des LFT genutzt um Ecken, Rippen und weitere geometrisch anspruchsvolle Bauteilbereiche zu füllen, während Steifigkeit und Festigkeit durch das UD-Tape erhöht werden. Das Preforming ist der aufwändigste Schritt in der Verarbeitung des endlosfaserverstärkten UD-Tapes. Um die Wirtschaftlichkeit hybrider Bauteile zu erhöhen, muss dieser Aufwand minimiert werden. Bisherige Prozesse für das Preforming sind nicht an die Anforderungen von Verstärkungsstrukturen in hybriden Bauteilen angepasst und benötigen daher zusätzliche Handhabungsschritte um das Material bereit zu stellen, und teure, bauteilspezifische Werkzeuge, um das Material zu formen. Gleichzeitig bieten sie große Möglichkeiten bei der Bauteilkomplexität die nicht benötigt werden, da komplizierte Bauteilregionen in hybriden Bauteilen durch LFT abgebildet werden können. In dieser Arbeit wird ein Prozess für das flexible Preforming linearer Verstärkungsstrukturen aus UD-Tape-Streifen entwickelt, in Betrieb genommen und optimiert. Zusätzlich wird ein Algorithmus vorgestellt, mit dem die Preformgeometrie an die Prozessrestriktionen angepasst wird. Durch den neuen Prozess können Kosten für bauteilspezifische Preformwerkzeuge vermieden werden und Abweichungen in folgenden Prozessschritten können in der laufenden Produktion bei folgenden Werkstücken kompensiert werden