Analyse luftfahrtrelevanter Fertigungsverfahren von Faser-Kunststoff-Verbunden und Ableitung eines abstrahierten Prozessmodells

With regard to the current transformation processes of the manufacturing industry towards “Industry 4.0”, universal data models are required, that can flexibly be adapted to new production variants and their variations and thus can be applied in multidisciplinary projects. On this account the present thesis introduces a modelling approach that is applicable for the visualization of manufacturing processes of fiber plastic composites, which are relevant for the aircraft industry. For this purpose, selected manufacturing technologies are analyzed, which can be mapped, among other things, by the large-scale research facilities at the Stader site of the ‚Centre for Lightweight Production Technologies ‘(ZLP ®), a sub-institute of the ‚German Center for Aerospace Technology ‘. Based on the process analysis, an abstract process model is then generated. This is followed by an initial approach to delineate the considered manufacturing processes regarding design-relevant requirements and restrictions

Towards Robustness Assessment in Virtual Testing - Manufacturing Influences by Simulation-based Methods in the Virtual Product House

The result of a virtual design process is an ideal structure, the virtual product in the "as-designed" state. While it is possible to perform probabilistic analyses in the design phase to explore the stability of the solution, there usually is one final "as-designed" configuration. This and the digital twin serve as images of the nominal state and the real manufactured structure. While there is only a single "as-designed" dataset of the virtual product, there is an individual digital twin for each physical instance whose data and properties may vary due to influencing factors. Within physical testing it is not possible to consider all these different variations, especially on higher levels of the building-block-approach. To reduce the development risk and gain earlier insights in the effects of the manufacturing on the structural performance simulation-based manufacturing methods are integrated in the end-to-end process, from virtual design to virtual testing, developed in the Virtual Product House (VPH). These enable the process to give a quantifiable estimation of these uncertainties in early development or can assess whether certain manufacturing scenarios are even valid options due to their effect on the virtual product. In this text, approaches are presented to determine the scatter of the use case in the VPH start-up project, a multifunctional multi-spar composite moveable, from expected manufacturing uncertainties. A manufacturing scenario consisting of an automated fibre placement (AFP) for the creation of the preforms, the infusion and the subsequent curing is considered. After these steps, the virtual product information for the "as-built" state is readily available for the chosen manufacturing process parameters. With the "as-built" configuration it is possible to use the following virtual testing methods with a more realistic representation of the structure or to return the effects from manufacturing on the "as-designed" state of the virtual product back to the design phase. Both aspects contribute to an improved understanding of the virtual product and increase confidence with regard to production and certification

Schneller geht's im Team: Effiziente Fertigung von Flügelschalen

Beside the further development of existing production technologies of large carbon fibre reinforced (CFR) structures, completely new man-ufacturing strategies have to be modeled and tested to counteract the striven production rate of 60AC/month. Within the LuFo V-1 funded project “Efficient Wing Cover Manufacturing” (EWiMa), therefore the fibre layup of a wing cover with two manufacturing units working simultaneously will be tested and demonstrated for the first time using the GroFi® plant of the ZLP in Stade. Due to a simulated process, a time saving of 38% is expected. In addition the use of a segmentally heatable curing tool is investigated. By the use of a thermal camera system, mounted in the research autoclave of the ZLP in Stade, the triggering of the heatable tool is completely done by the autoclave control system. Beside an improvement of the manufacturing quality, a time saving of the energy-intensive autoclave process and thus a reduction of the manufacturing cost is expected with this approach

Entwicklung eines Modellansatzes zur Beschreibung des Tack-Verhaltens im Dry Fiber Placement

In dieser Arbeit wird ein semi-empirischer Modellansatz entwickelt, der zur Beschreibung des Tack-Verhaltens in Abhängigkeit der Anpresskraft, Vorschubgeschwindigkeit und Verbindungstemperatur im Automated Dry Fiber Placement dient. Zur Messung des Tacks zwischen zwei abgelegten Slit-Tapes mit thermoplastischen Binder wird ein Schälprüfstand konstruiert und aufgebaut. Die drei Prozessparameter werden nach einem dreistufigen Versuchsplan durch 15 Versuche untersucht, die insgesamt viermal durchgeführt werden. Anstatt der Heizleistung der InfrarotLampen wird die resultierende Temperatur innerhalb der Verbindungszone beschrieben. Der Tack wird durch die Schälprüfung verlässlich bestimmt. Für alle Faktoren werden hochsignifikante Effekte und Wechselwirkungseffekte auf die Erhöhung des Tacks berechnet. Durch die nichtlineare Regression werden zwei Modellgleichungen an die Ergebnisse angepasst, die auf physikalischen Zusammenhängen basieren. Hieraus wird ein Modellansatz entwickelt, welcher die Ergebnisse mit einer hohen Anpassungsgüte beschreibt und mit der nichtparametrischen Regression übereinstimmt. Die Untersuchung der Residuen bestätigt, dass der entwickelte semi-empirische Modellansatz korrekt spezifiziert und konsistent mit den Ergebnissen ist

Efficient CFRP-manufacturing using multiple industrial robots

To increase the competitiveness and efficiency of next generation transportation systems, the production costs and the time of production of large structures made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) need to be reduced. This can be achieved by using highly industrialized layup technologies as well as improved layup strategies. For this purpose, within the project GroFi, the German Aerospace Center (DLR) in Stade developed an innovative plant concept for a fully automated fiberplacement (AFP) process using multiple robot units working simultaneously on one or more parts. Within the scope of the project "Efficient Wing Cover Manufacturing" (EWiMa) the functional capability of the research platform GroFi could be demonstrated by realizing the first mulithead AFP-process worldwide. For the demonstration a generic wing cover with a span of 8 m was manufactured using two layup units working simultaneously. In addition, efficiency improvements of a fiber placement process using multiple industrial robots were investigated. Within the scope of the presentation the multihead approach and the results of the EWiMa project will be demonstrated

Entwicklung eines Materialmodells zur Vorhersage von Schäden an Faserhalbzeugen während

Bei der Fertigung großflächiger faserverstärkter Kunststoffbauteile überwiegt der Einsatz automatisierter Ablegeprozesse wie Automated Fiber Placement oder Automated Tape Laying. Abhängig von gewählten Prozessparametern und der verwendeten Halbzeugbreite kann es beim Ablegevorgang zu Schäden am abgelegten Material kommen. Diese werden in bestehenden Simulationsprozessen bisher nicht vollumfänglich erfasst. Als wesentliche Mechanismen zur Entstehung von Schäden werden in dieser Arbeit Kontaktverlust und Stabilitätsverlust während der Ablage identifiziert. Für beide Mechanismen werden ein Materialmodell und entsprechende Versagenskriterien entwickelt. Dabei wird ein in der Literatur bestehender Ansatz so weiterentwickelt, dass er auch auf allgemeine dreidimensionale Geometrien anwendbar ist. Darüber hinaus werden erforderliche Einflussgrößen identifiziert und Möglichkeiten zu ihrer Ermittlung aufgezeigt. Basierend darauf werden Versuche zur Validierung des entwickelten Modells definiert und durchgeführt

AFP Crawlers - Automated Fiber Placement without limiting Kinematics

Die automatisierte Fertigung großflächiger Faserverbundstrukturen, wie beispielsweise der Flügelschalen moderner Verkehrsflugzeuge, erfolgt aktuell mit großen Portalanlagen oder Knickarmroboter gestützten Fertigungsanlagen. Diese Anlagen sind meist auf ein oder wenige Bauteile zugeschnitten und wenig flexibel hinsichtlich einer Variation der Bauteilgröße oder der Bauteilgeometrie. Der Forschungsansatz FlappyBot des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt löst sich von bauteilspezifischen Fertigungsanlagen und hebt die bisherige Wechselwirkung „größeres Bauteil – größere Anlage“ auf. Der Ansatz verfolgt die Idee von autonomen, mobilen Robotereinheiten, welche sich ohne starre Führungskinematik auf dem formgebenden Werkzeug selbst bewegen. Mit diesem Konzept kann flexibler auf Skalierung, Geometrie- und Designänderung der Bauteilstruktur reagiert werden. Der Verzicht auf verstärkte Fundamente ermöglicht zudem eine Verwendung in bestehender Halleninfrastruktur und Anpassung. Veränderte Bedarfe und Engpässe können ohne hohe Zusatzinvestitionen abgefangen werden. Im vorliegenden Vortrag wird das grundlegende Konzept des Forschungsansatzes, das Einsatzpotential sowie der aktuelle Entwicklungsstand vorgestellt

First Ply Tack of an Automated Fibre Placement Process: Influence of heatable mould surface, release films and process parameters

During an automated manufacturing process of fibre reinforced plastics parts, material is laid up on a mould surface with Automated Fiber Placement technology. For this a sufficient tack between first ply and mould surface is important, especially for layups on vertical positioned moulds. With the aim of providing the highest possible tack, the influence of different parameters on the first ply tack was investigated. The influence of a heated mould surface on the tack was analysed by increasing the surface temperature in several steps up to 75°C. Both, a temporarily, as well as a permanently heated mould surface during the layup was investigated. In addition to that the tack between fibre material and six different release films were compared. Thereby, layup speed and power of an infrared heater were varied. These experiments provide important insights for the development of a reliable method for a layup process on a mould in vertical position. The selection of the release films showed an influence on the tack. Furthermore, an increase of tack could be determined, if the mould surface was heated. But also without a heated mould surface and for all tested release films, the tack was high enough for a reliable layup

Modular, mobile, multiple robotics poised to change the AFP/ATL paradigm

New approach to keep AFP/ATL cost competitive in the future: 1. multiple robots cooperate based on intelligent job scheduling algorithms 2. smart arrangement of hardware for a more efficient process, redundancy within the system and fewer downtimes 3. use of autonomous, mobile robotic units to reduce amount of required infrastructur