Entwicklung eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Messung der Faserorientierung in mehrlagigen 3D-Carbonfaserpreforms und CFK mit robotergeführter Hochfrequenz-Wirbelstromprüftechnik

Carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erzielen ihre herausragende Festigkeit und Steifigkeit durch exakte Anpassung der Faserverläufe im Bauteil an die im Einsatz wirkenden Belastungen. Für eine Qualitätskontrolle und eine Optimierung der Fertigungsverfahren ist daher ein Verfahren notwendig, das in der Lage ist, die Faserorientierung in 3D-Preforms (mehrlagigen, drapierten Vorformlingen aus trockenen Carbonfasern) und 3D-CFK zerstörungsfrei zu messen und mit der Soll-Faserorientierung zu vergleichen. Die derzeit für die Faserorientierungsmessung eingesetzten optischen bzw. Röntgen-CT-Verfahren sind hierfür nur beschränkt geeignet, da optische Verfahren auf die oberste Lage und Röntgen-CT-Verfahren auf Kleinproben beschränkt sind. In dieser Arbeit wird daher ein Verfahren entwickelt, das die Faserorientierung in mehrlagigen 3D-Carbonfaserpreforms und -CFK zerstörungsfrei messen kann. Grundlage hierfür ist die Hochfre-quenz-Wirbelstromprüfung, die eine Darstellung der Verläufe der leitfähigen Carbonfäden in den einzelnen, übereinander gestapelten Lagen des CFK erlaubt. Um hierauf aufbauend eine vollauto-matische Faserorientierungsmessung zu schaffen, wird in einem ersten Schritt ein Roboter-Bahnplanungsverfahren zur vollständigen Erfassung komplex geformter 3D-Oberflächen entwi-ckelt. Aus dem erhaltenen 3D-Wirbelstrombild der Oberfläche wird anschließend über einen auf lokaler Abwicklung und Fouriertransformation beruhenden Algorithmus die lokale Faserorientie-rung in den einzelnen Lagen gemessen und die 3D-Verläufe einzelner Fäden werden rekonstruiert. Die Messunsicherheit des Verfahrens wird anhand systematischer experimenteller Untersuchungen an 2-, 4-, 6- und 8-lagigen 2D-Gelegestapeln quantifiziert. Untersucht wird hierbei auch der Einfluss der Materialparameter (Gelegetyp) sowie der Messparameter (Spulenanordnung, Spulendurch-messer, Sensororientierung, Messfrequenz) auf die sich ergebende Messunsicherheit, woraus Empfehlungen für die Wahl von Sensor und Messfrequenz abgeleitet werden. Das entwickelte Messverfahren wird anschließend an zwei 3D-Anwendungsfällen validiert. Als erster Anwendungsfall wird ein vierlagiges, komplex geformtes CFK-Bauteil betrachtet. Es wird gezeigt, wie mithilfe des entwickelten Messverfahrens die Faserorientierung aller vier Lagen zerstörungsfrei erfasst werden kann. Verschiedene Exemplare desselben Bauteils werden hinsicht-lich der Faserorientierung verglichen. Anschließend wird im zweiten Anwendungsfall ein automati-scher Drapierprozess zu einer Halbkugel betrachtet, bei dem verschiedene, ein-, zwei und vierlagi-ge textile Halbzeuge hinsichtlich der sich ausbildenden Faserorientierung nach der Drapierung verglichen werden, mit dem Ziel, das Verformungsverhalten mehrlagiger Strukturen besser zu verstehen und Empfehlungen für die Halbzeugauswahl abzuleiten. In einem abschließenden Schritt werden Schnittstellen geschaffen, um die Faserorientierungsmes-sung in den CFK-Entwicklungsprozess zu integrieren. Zum einen wird durch eine Schnittstelle zur Drapiersimulation ein quantitativer Vergleich zwischen vorausgesagter und Ist-Faserorientierung möglich, zum anderen wird gezeigt, wie die gemessenen Faserorientierungen der Einzellagen direkt zur Parametrierung von Struktursimulationen verwendet werden können. Das entwickelte Verfah-ren ermöglicht damit eine fundierte Festigkeits- und Steifigkeitsanalyse mit den zerstörungsfrei gemessenen Faserorientierungen nach dem Umformprozess.:1 Einleitung 2 Grenzen bestehender Verfahren zur Faserorientierungsmessung bei der CFK-Herstellung 3 Stand der Technik zur Wirbelstromprüfung von Carbonfasermaterialien 4 Entwicklung einer Roboter-Bahnplanung zur vollständigen Erfassung einer 3D-Oberfläche 5 Entwicklung einer Faserorientierungsmessung aus 3D-Wirbelstromdaten 6 Experimentelle Untersuchung der Messunsicherheit an 2D-Gelegestapeln 7 Verfahrenserprobung an mehrlagigen 3D-Preforms und CFK 8 Integration der Faserorientierungsmessung in den CFK-Entwicklungsprozess 9 Zusammenfassung und AusblickThe superior strength and stiffness of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) results from an exact adaptation of the component’s fiber orientation to the external loads during service. Quality control, as well as development and optimization of the production processes, thus require a method to non-destructively measure the fiber orientation in 3D preforms (draped multilayer stacks made of dry carbon fibers) and CFRP. Currently, this fiber orientation measurement is done by optical or X-ray computer tomography methods, which are limited, however to the uppermost, optical visible fabric layer (optical methods) or to small sample sizes (X-ray computer tomography). Therefore, this thesis develops a method to non-destructively measure the 3D fiber orientation in multi-layer 3D preforms and CFRP. The starting point for this development is the technique of high-frequency eddy current testing, which allows an imaging of the individual carbon yarn courses in multiple stacked textile layers. In order to develop a fully-automated fiber orientation measure-ment process with this technique, in a first step a robot path planning is developed that allows the complete scanning of a complexly-shaped 3D surface with an eddy current sensor. From the resulting 3D eddy current image of the surface, the local fiber orientation of the individual layers is measured by local development (flattening) of the surface and a Fourier transformation. The uncertainty of measurement for this method is quantified from experiments with 2-, 4-, 6- and 8-layer 2D non-crimp fabric stacks. The influence of the material parameters (type of fabric) as well as of the measurement parameters (sensor type, coil diameter, sensor orientation, measure-ment frequency) is evaluated. Recommendations for the choice of sensor and measurement frequency are derived. The developed measurement method is subsequently validated with two different 3D application cases. As a first application case, a four-layer, complexly-shaped CFRP component is analyzed. It is shown how the developed measurement method can be used to non-destructively measure the fiber orientation of all four layers. Different specimen of the same CFRP component are compared regarding fiber orientation. The second application case is an automated draping process to a hemispherical shape, for which one-, two- and four-layer textile fabrics are compared regarding the fiber orientation after draping, in order to better understand the forming properties of multi-layer structures and derive recommendations for the choice of textile. In the final step, software interfaces are developed to integrate the fiber orientation measurement into the CFRP design and development process. It is integrated with a draping simulation, to allow a quantitative comparison of the predicted and the measured fiber orientations. Furthermore, it is shown how the measured fiber orientation of the individual fabric layers can be used for the parametrization of finite element structural simulations. The developed measurement method thus lays the base for a substantiated strength and stiffness analysis based on the component’s actual as-is fiber orientation after the draping process.:1 Einleitung 2 Grenzen bestehender Verfahren zur Faserorientierungsmessung bei der CFK-Herstellung 3 Stand der Technik zur Wirbelstromprüfung von Carbonfasermaterialien 4 Entwicklung einer Roboter-Bahnplanung zur vollständigen Erfassung einer 3D-Oberfläche 5 Entwicklung einer Faserorientierungsmessung aus 3D-Wirbelstromdaten 6 Experimentelle Untersuchung der Messunsicherheit an 2D-Gelegestapeln 7 Verfahrenserprobung an mehrlagigen 3D-Preforms und CFK 8 Integration der Faserorientierungsmessung in den CFK-Entwicklungsprozess 9 Zusammenfassung und Ausblic

Entwicklung eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Messung der Faserorientierung in mehrlagigen 3D-Carbonfaserpreforms und CFK mit robotergeführter Hochfrequenz-Wirbelstromprüftechnik

Carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erzielen ihre herausragende Festigkeit und Steifigkeit durch exakte Anpassung der Faserverläufe im Bauteil an die im Einsatz wirkenden Belastungen. Für eine Qualitätskontrolle und eine Optimierung der Fertigungsverfahren ist daher ein Verfahren notwendig, das in der Lage ist, die Faserorientierung in 3D-Preforms (mehrlagigen, drapierten Vorformlingen aus trockenen Carbonfasern) und 3D-CFK zerstörungsfrei zu messen und mit der Soll-Faserorientierung zu vergleichen. Die derzeit für die Faserorientierungsmessung eingesetzten optischen bzw. Röntgen-CT-Verfahren sind hierfür nur beschränkt geeignet, da optische Verfahren auf die oberste Lage und Röntgen-CT-Verfahren auf Kleinproben beschränkt sind. In dieser Arbeit wird daher ein Verfahren entwickelt, das die Faserorientierung in mehrlagigen 3D-Carbonfaserpreforms und -CFK zerstörungsfrei messen kann. Grundlage hierfür ist die Hochfre-quenz-Wirbelstromprüfung, die eine Darstellung der Verläufe der leitfähigen Carbonfäden in den einzelnen, übereinander gestapelten Lagen des CFK erlaubt. Um hierauf aufbauend eine vollauto-matische Faserorientierungsmessung zu schaffen, wird in einem ersten Schritt ein Roboter-Bahnplanungsverfahren zur vollständigen Erfassung komplex geformter 3D-Oberflächen entwi-ckelt. Aus dem erhaltenen 3D-Wirbelstrombild der Oberfläche wird anschließend über einen auf lokaler Abwicklung und Fouriertransformation beruhenden Algorithmus die lokale Faserorientie-rung in den einzelnen Lagen gemessen und die 3D-Verläufe einzelner Fäden werden rekonstruiert. Die Messunsicherheit des Verfahrens wird anhand systematischer experimenteller Untersuchungen an 2-, 4-, 6- und 8-lagigen 2D-Gelegestapeln quantifiziert. Untersucht wird hierbei auch der Einfluss der Materialparameter (Gelegetyp) sowie der Messparameter (Spulenanordnung, Spulendurch-messer, Sensororientierung, Messfrequenz) auf die sich ergebende Messunsicherheit, woraus Empfehlungen für die Wahl von Sensor und Messfrequenz abgeleitet werden. Das entwickelte Messverfahren wird anschließend an zwei 3D-Anwendungsfällen validiert. Als erster Anwendungsfall wird ein vierlagiges, komplex geformtes CFK-Bauteil betrachtet. Es wird gezeigt, wie mithilfe des entwickelten Messverfahrens die Faserorientierung aller vier Lagen zerstörungsfrei erfasst werden kann. Verschiedene Exemplare desselben Bauteils werden hinsicht-lich der Faserorientierung verglichen. Anschließend wird im zweiten Anwendungsfall ein automati-scher Drapierprozess zu einer Halbkugel betrachtet, bei dem verschiedene, ein-, zwei und vierlagi-ge textile Halbzeuge hinsichtlich der sich ausbildenden Faserorientierung nach der Drapierung verglichen werden, mit dem Ziel, das Verformungsverhalten mehrlagiger Strukturen besser zu verstehen und Empfehlungen für die Halbzeugauswahl abzuleiten. In einem abschließenden Schritt werden Schnittstellen geschaffen, um die Faserorientierungsmes-sung in den CFK-Entwicklungsprozess zu integrieren. Zum einen wird durch eine Schnittstelle zur Drapiersimulation ein quantitativer Vergleich zwischen vorausgesagter und Ist-Faserorientierung möglich, zum anderen wird gezeigt, wie die gemessenen Faserorientierungen der Einzellagen direkt zur Parametrierung von Struktursimulationen verwendet werden können. Das entwickelte Verfah-ren ermöglicht damit eine fundierte Festigkeits- und Steifigkeitsanalyse mit den zerstörungsfrei gemessenen Faserorientierungen nach dem Umformprozess.:1 Einleitung 2 Grenzen bestehender Verfahren zur Faserorientierungsmessung bei der CFK-Herstellung 3 Stand der Technik zur Wirbelstromprüfung von Carbonfasermaterialien 4 Entwicklung einer Roboter-Bahnplanung zur vollständigen Erfassung einer 3D-Oberfläche 5 Entwicklung einer Faserorientierungsmessung aus 3D-Wirbelstromdaten 6 Experimentelle Untersuchung der Messunsicherheit an 2D-Gelegestapeln 7 Verfahrenserprobung an mehrlagigen 3D-Preforms und CFK 8 Integration der Faserorientierungsmessung in den CFK-Entwicklungsprozess 9 Zusammenfassung und AusblickThe superior strength and stiffness of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) results from an exact adaptation of the component’s fiber orientation to the external loads during service. Quality control, as well as development and optimization of the production processes, thus require a method to non-destructively measure the fiber orientation in 3D preforms (draped multilayer stacks made of dry carbon fibers) and CFRP. Currently, this fiber orientation measurement is done by optical or X-ray computer tomography methods, which are limited, however to the uppermost, optical visible fabric layer (optical methods) or to small sample sizes (X-ray computer tomography). Therefore, this thesis develops a method to non-destructively measure the 3D fiber orientation in multi-layer 3D preforms and CFRP. The starting point for this development is the technique of high-frequency eddy current testing, which allows an imaging of the individual carbon yarn courses in multiple stacked textile layers. In order to develop a fully-automated fiber orientation measure-ment process with this technique, in a first step a robot path planning is developed that allows the complete scanning of a complexly-shaped 3D surface with an eddy current sensor. From the resulting 3D eddy current image of the surface, the local fiber orientation of the individual layers is measured by local development (flattening) of the surface and a Fourier transformation. The uncertainty of measurement for this method is quantified from experiments with 2-, 4-, 6- and 8-layer 2D non-crimp fabric stacks. The influence of the material parameters (type of fabric) as well as of the measurement parameters (sensor type, coil diameter, sensor orientation, measure-ment frequency) is evaluated. Recommendations for the choice of sensor and measurement frequency are derived. The developed measurement method is subsequently validated with two different 3D application cases. As a first application case, a four-layer, complexly-shaped CFRP component is analyzed. It is shown how the developed measurement method can be used to non-destructively measure the fiber orientation of all four layers. Different specimen of the same CFRP component are compared regarding fiber orientation. The second application case is an automated draping process to a hemispherical shape, for which one-, two- and four-layer textile fabrics are compared regarding the fiber orientation after draping, in order to better understand the forming properties of multi-layer structures and derive recommendations for the choice of textile. In the final step, software interfaces are developed to integrate the fiber orientation measurement into the CFRP design and development process. It is integrated with a draping simulation, to allow a quantitative comparison of the predicted and the measured fiber orientations. Furthermore, it is shown how the measured fiber orientation of the individual fabric layers can be used for the parametrization of finite element structural simulations. The developed measurement method thus lays the base for a substantiated strength and stiffness analysis based on the component’s actual as-is fiber orientation after the draping process.:1 Einleitung 2 Grenzen bestehender Verfahren zur Faserorientierungsmessung bei der CFK-Herstellung 3 Stand der Technik zur Wirbelstromprüfung von Carbonfasermaterialien 4 Entwicklung einer Roboter-Bahnplanung zur vollständigen Erfassung einer 3D-Oberfläche 5 Entwicklung einer Faserorientierungsmessung aus 3D-Wirbelstromdaten 6 Experimentelle Untersuchung der Messunsicherheit an 2D-Gelegestapeln 7 Verfahrenserprobung an mehrlagigen 3D-Preforms und CFK 8 Integration der Faserorientierungsmessung in den CFK-Entwicklungsprozess 9 Zusammenfassung und Ausblic

Evaluation of adhesive binders for the development of yarn bonding for new stitch-free non-crimp fabrics

Non-crimp fabrics (NCFs), especially multi-axial warp-knitted fabrics, are used as reinforcement materials for fiberreinforced composites. The manufacturing of multi-axial warp-knitted fabrics by a conventional stitch bonding process to produce NCF has several disadvantages, such as filament damage, low production speed, yarn disorientation, etc. In order to overcome the existing limitations, the idea of using an adhesive binder to attach the fabric layers is a promising approach, so that the use of stitching yarns can be eliminated. The fundamental investigations presented in this paper show that the selection of the binder material has a major influence on the parameters of the textile products. Whereas the tested hotmelt adhesives offer a short curing time and a small but nevertheless sufficient bonding strength between bonded yarns, the tested reactive adhesives show a bonding strength up to 10 times higher, but at a considerably longer curing time. The reason for the different bonding strength is identified in the different penetration into the yarns. The experiments also show a significant influence of the fiber type and sizing, which needs to be taken into account when selecting fabric binders

Eddy current testing in CFRP production

Eddy current testing has established itself as a nondestructive test method in CFRP production. By exploiting the electrical conductivity of carbon fibers, it is possible to detect fiber orientation, surface weight, area density and fiber volume content as well as ripples and folds in stacks, preforms and composite components. This article presents recent applications and discusses future perspectives for deployment in CFRP production

Automated detection of yarn orientation in 3D-draped carbon fiber fabrics and preforms from eddy current data

Ensuring the correct fiber orientation in draped textiles and 3D preforms is one of the current challenges in the production of carbon-fiber reinforced plastics (CFRP), especially in resin transfer molding (RTM). Small deviations in fiber angle during preforming have a considerable effect on the mechanical properties of the final composite. Therefore, this paper presents an automated method for determining local yarn orientation in three-dimensionally draped, multi-layered fabrics. The draped fabric is scanned with a robot-guided high-frequency eddy current sensor to obtain an image of the sample's local conductivity and permittivity. From this image, the fiber orientation not only of the upper, but also of the lower, optically non-visible layers can be analyzed. A 2D Fast Fourier Transform is applied to local segments of the eddy current image to determine the local yarn orientation. Guidelines for processing the eddy current data, including phase rotation, filtering and evaluation segment size, are derived. For an intuitive visualization and analysis of the determined yarn orientation, reference yarn paths are reconstructed from the determined yarn angles. The developed process can be applied to quality inspection, process development and the validation of forming simulation results

Analysis of the 3D draping behavior of carbon fiber non-crimp fabrics with eddy current technique

Assessing and controlling the complex deformation behavior of textile reinforcements fabrics remains one of the major challenges in the production of fiber-reinforced plastics. In this paper, the draping of +45°/-45° biaxial non-crimp fabrics to a hemispherical shape is investigated with an eddy current imaging technique. After an automated draping process, the textiles are scanned with a robot-guided eddy current measurement system. From the resulting conductivity maps of the samples, the local yarn directions are extracted by image analysis and the paths of individual yarns are reconstructed for both the upper and the lower layer. Experiments are carried out for different forming speeds, blank holder forces and different non-crimp fabric parameters (stitch length, stitch type, stitch tension and yarn count). The influences of these parameters are compared and discussed, with the conclusion that blank holder forces have by far the most significant influence on the draping result. Sample experimental results are compared to results from an FEM draping simulation

4MOST: 4-metre multi-object spectroscopic telescope

International audienceThe 4MOST consortium is currently halfway through a Conceptual Design study for ESO with the aim to develop a wide-field ( < 3 square degree, goal < 5 square degree), high-multiplex ( < 1500 fibres, goal 3000 fibres) spectroscopic survey facility for an ESO 4m-class telescope (VISTA). 4MOST will run permanently on the telescope to perform a 5 year public survey yielding more than 20 million spectra at resolution R&tilde;5000 (lambda=390-1000 nm) and more than 2 million spectra at R~20,000 (395-456.5 nm and 587-673 nm). The 4MOST design is especially intended to complement three key all-sky, space-based observatories of prime European interest: Gaia, eROSITA and Euclid. Initial design and performance estimates for the wide-field corrector concepts are presented. Two fibre positioner concepts are being considered for 4MOST. The first one is a Phi-Theta system similar to ones used on existing and planned facilities. The second one is a new R-Theta concept with large patrol area. Both positioner concepts effectively address the issues of fibre focus and pupil pointing. The 4MOST spectrographs are fixed configuration two-arm spectrographs, with dedicated spectrographs for the high- and low-resolution fibres. A full facility simulator is being developed to guide trade-off decisions regarding the optimal field-of-view, number of fibres needed, and the relative fraction of high-to-low resolution fibres. The simulator takes mock catalogues with template spectra from Design Reference Surveys as starting point, calculates the output spectra based on a throughput simulator, assigns targets to fibres based on the capabilities of the fibre positioner designs, and calculates the required survey time by tiling the fields on the sky. The 4MOST consortium aims to deliver the full 4MOST facility by the end of 2018 and start delivering high-level data products for both consortium and ESO community targets a year later with yearly increments

4MOST-4-metre Multi-Object Spectroscopic Telescope

4MOST is a wide-field, high-multiplex spectroscopic survey facility under development for the VISTA telescope of the European Southern Observatory (ESO). Its main science drivers are in the fields of galactic archeology, high-energy physics, galaxy evolution and cosmology. 4MOST will in particular provide the spectroscopic complements to the large area surveys coming from space missions like Gaia, eROSITA, Euclid, and PLATO and from ground-based facilities like VISTA, VST, DES, LSST and SKA. The 4MOST baseline concept features a 2.5 degree diameter field-of-view with similar to 2400 fibres in the focal surface that are configured by a fibre positioner based on the tilting spine principle. The fibres feed two types of spectrographs; similar to 1600 fibres go to two spectrographs with resolution R> 5000 (lambda similar to 390-930 nm) and similar to 800 fibres to a spectrograph with R> 18,000 (lambda similar to 392-437 nm & 515-572 nm & 605-675 nm). Both types of spectrographs are fixed-configuration, three-channel spectrographs. 4MOST will have an unique operations concept in which 5 year public surveys from both the consortium and the ESO community will be combined and observed in parallel during each exposure, resulting in more than 25 million spectra of targets spread over a large fraction of the southern sky. The 4MOST Facility Simulator (4FS) was developed to demonstrate the feasibility of this observing concept. 4MOST has been accepted for implementation by ESO with operations expected to start by the end of 2020. This paper provides a top-level overview of the 4MOST facility, while other papers in these proceedings provide more detailed descriptions of the instrument concept[1], the instrument requirements development[2], the systems engineering implementation[3], the instrument model[4], the fibre positioner concepts[5], the fibre feed[6], and the spectrographs[7]