OVERPRINTING OF LARGE-SCALE THERMOPLASTIC COMPOSITES IN FGF-PROCESS USING LOCAL PREHEATING

The rise of large-scale systems for Fused Granular Fabrication (FGF) of thermoplastics opens up new possibilities for manufacturing thermoplastic composites. One promising approach is the overprinting of continuous fibre-reinforced laminates to increase complexity and functionality of highperformance structures. However, overprinting aerospace-grade materials like Polyether Ether Ketone (PEEK) requires high substrate and ambient temperatures. The large-scale systems lack the possibility to use heated build chambers and can therefore overprint only to a limited extent. This work investigates the possibility of equipping the printer system with local preheating for high-temperature substrates. Therefore, a heating concept using hot air heating is developed and evaluated regarding heating efficiency and the influence of heating on print quality. The study was performed on a modified desktop printer, with which temperature measurements and mechanical testing were carried out. Based on this study, a prototype of a local preheating for a large-scale FGF system was designed, suitable for multiaxis overprinting PEEK laminates. The heating capability of high-temperature substrates was evaluated. Results show preheating temperatures of over 200 °C and significant improvement of the material quality of printed PEEK. The developed prototype forms the basis for further process and technology development fur future composite manufacturing

Untersuchung der Oberfläche von CFK-Laminat hergestellt mittels Automated-Fiber Placement

Durch den Prozess des Automated Fiber Placement (AFP) können Bauteile aus faserverstärkten ¨ Thermoplasten günstiger und schneller hergestellt, im Vergleich zur herkömmlichen Verwendung eines Autoklaven. Der Verarbeitungsprozess des Thermoplasts erfolgt beim AFP schichtweise. Mögliche Oberflächenfehler haben somit Einfluss auf die Eigenschaften des Bauteils und sind auch für prozessnachgelagerte Schritte relevant. Diese Studie hat daher zum Ziel, mögliche Oberflächenfehler von Laminaten zu charakterisieren. Näher betrachtet werden Lücken und ¨ Überlappungen von Tapes sowie die Welligkeit des Laminats. Es konnte gezeigt werden, dass Prozesstemperaturen des AFP Einfluss auf die Geometrie der Fehler haben

Untersuchung der Materialeigenschaften zur bionischen Optimierung von additiv gefertigten Satellitenstrukturen (Masterarbeit)

Die additiven Fertigungsverfahren haben sich zu einer innovativen Schlüsseltechnologie entwickelt, die eine ressourcenschonende und nachhaltige Fertigung von komplexen Strukturen ermöglicht. Besonders das LMF Fertigungsverfahren für die Verarbeitung von metallischen Werkstoffen bietet ein hohes Potenzial für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt, aufgrund dessen Reifegrads und Vielfalt an verfügbaren Werkstoffen. Um das Einsatzpotenzial zu erhöhen ist es nötig, die Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen des Fertigungsprozesses und deren Auswirkungen auf die Werkstoffeigenschaften zu untersuchen und zu verstehen. Zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten befassen sich mit diesen Auswirkungen, beschränken sich jedoch überwiegend auf eine Einflussgröße. Die Korrelation zwischen einzelnen Einflussgrößen steht selten im Fokus. In dieser Arbeit werden die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften LMF gefertigter Strukturen untersucht und anschließend das Einsatzpotenzial an einer Satellitenstrukturkomponente demonstriert. Dazu werden Zugversuche an Rundzugproben durchgeführt und unterschiedliche metallurgische Untersuchungen an weiteren Probekörpern vorgenommen. Im Fokus, zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften anhand von Zugversuchen, stehen die Einflussgrößen wie der Probendurchmesser, Orientierungswinkel zur Substratplatte, die Oberflächenbeschaffenheit und thermischen Randbedingungen sowie die Korrelationen unter den Einflussgrößen. Dazu werden ausgewählte Probekörper durch eine elektrochemische Politur und eine T6 Wärmebehandlung nachbearbeitet. Des Weiteren werden die Mikro- und Makrostruktur des Werkstoffgefüges untersucht um auf mögliche Zusammenhänge der einzelnen Einflussgrößen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften zu erschließen. Im nächsten Schritt wird eine bionische Optimierung an einem Demonstratorbauteil durchgeführt. Anschließend wird das optimierte Demonstratorbauteil mittels dem LMF Verfahren gefertigt und eine erste Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt

Entwicklung eines lokalen Heizkonzeptes für das in-situ Fügen FFF gedruckter Strukturen auf thermoplastische Laminate (Studienarbeit)

Hochleistungsthermoplaste wie kohlefaserverstärktes PEEK (Polyetheretherketon) verbinden hohe Festigkeitswerte mit einer geringen Dichte und der Fähigkeit, durch 3D-Druck zu leichtbau- und festigkeitsoptimierten Bauteilen gefertigt zu werden. Dadurch sind sie vor allem für die Luft- und Raumfahrtbranche interessant. Nachteilig sind allerdings die hohen erforderlichen Prozesstemperaturen beim 3D-Drucken. Werden diese Temperaturen nicht eingehalten, verbinden sich die einzelnen Druckschichten nur sehr schlecht, was die Bauteilfestigkeit in eine Raumrichtung erheblich senkt. Vor allem die benötigte Umgebungstemperatur von mindestens 200 ◦C ist in einem dafür spezialisierten 3D-Drucker zwar erreichbar, bildet aber zum Beispiel bei großvolumigen Anwendungen ein Hindernis. Um dieses zu umgehen, wird in dieser Arbeit ein Heizkonzept, welches die benötige Umgebungstemperatur lokal begrenzt direkt um die 3D-Druckdüse erzeugt, entwickelt, getestet und an einem industriellen 3D-Druck-Roboter umgesetzt. So sind auch großvolumige Anwendungen beispielsweise in Fertigungshallen bei Raumtemperatur möglich. Für diese Arbeit wird das Heizkonzept in einen gängigen 3D-Drucker, der nicht über einen beheizten Bauraum verfügt, integriert. Die Wahl fällt dabei auf ein Heißgassystem, welches erwärmte Luft direkt um die Druckerdüse nach unten ausströmt. Verwendet wird eine Heißluftlötstation und speziell für diese Anwendung konstruierte und gefräste Stahl-Düsenbauteile, die in ein ebenfalls neu konstruiertes und 3D-gedrucktes Carriage in den Drucker eingebaut werden. Bei ersten Versuchsläufen zeigt sich, dass das Heizsystem, in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit der Düse, in der Lage ist, die Schwelle von 143 °C und damit die Glastemperatur von PEEK zu überschreiten. Dies ist essenziell, da erst oberhalb dieser Temperatur Bindungsprozesse im Werkstoff stattfinden, die die Festigkeit des Bauteils erhöhen. Probedrucke mit Bauteilen unterschiedlicher Geometrien beweisen die Funktionalität des Systems. Werkstoffversuche zeigen den verbessernden Effekt des Heizkonzepts. Bei Zugproben in horizontaler Richtung wurde eine Steigerung der Festigkeit um fast 50 % nachgewiesen. Sie zeigen allerdings auch deutlich, dass das Temperaturverhalten in praktischen Anwendungen weitaus komplexer ist und dessen Steuerung individuell bestimmt und angepasst werden muss. Für die Integration des erforschten Heizkonzeptes in eine industriellen Fertigungsanlage werden Industrie-Heizgeräte, welche zugeführte Druckluft auf bis zu 750 °C erwärmen, verwendet. Das entwickelte System steuert die Heizgeräte an, wobei der Benutzer eine Heizleistung oder einer Soll-Temperatur einstellen kann. Im letzteren Fall hält eine interne Regelung des Heizsystems die Wunschtemperatur. Das Heizsystem ist so ausgelegt, dass es leicht in weitere, andersartige Fertigungsanlagen eingebaut werden kann. Zudem ist die Möglichkeit einer nachträglichen Erweiterung durch einen Beschleunigungssensor gegeben, um so die Heizleistung individuell nach dem Bewegungsprofil der Druckdüse anzupassen

Untersuchung der Porosität von additiv gefertigten Materialien aus gefüllten Thermoplasten (Studienarbeit)

Das Institut für Bauweisen und Strukturtechnologien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt untersucht u.a. die Herstellung additiv gefertigter Bauteile. Hochleistungsfähige Thermoplasten, wie z.B. Polyetherehterketon (PEEK), können so in hochbelasteten Bauteilen vielseitig eingesetzt werden. Durch die Zugabe von Füllstoffen, wie z.B: Kohlenstoffkurzfasern oder Kupferpulver, können die Anwendungsgebiete für diese Technologie und Materialien noch erweitert werden. Die Porosität von Materialien beeinflusst deren Eigenschaften erheblich und ist somit ein wichtiger Kennwert. In dieser Arbeit soll daher, auf der Grundlage von Vorarbeiten, die Porosität eines PEEK-Kupfer-Teilchenverbunds bestimmt werden. Eine Methode der Porositätsbestimmung ist die Lichtmikroskopie. Hierfür werden Materialproben geschliffen und poliert um die Porosität unter einem Lichtmikroskop ersichtlich zu machen. Um den Einfluss bestimmter Prozessparameter des Schleifprozesses auf die messbare Porosität zu ermitteln, wird eine Parameterstudie durchgeführt. Es wird der Einfluss der Kraft, mit der die Probe auf das Schleifwerkzeug gedrückt wird, die Dauer des Schleifens und die Dauer des Polierens untersucht. Alle Faktoren werden auf drei Stufen variiert. Ein schon bestehendes Prozedere zur Probenpräparation bildet für die Einstellwerte die Grundlage. Die Anpresskraft wird, ausgehend von dem bisherigen üblichen Einstellungen, um -5 N, 0 N und 5 N erhöht. Die Schleif- und Polierdauer wird jeweils, ausgehend von dem bisherigen üblichen Einstellungen, um -20 %, 0 % und 20 % verlängert. Zudem wird die Änderung der messbaren Porosität bei fünf verschiedenen Materialien untersucht: PEEK, PEEK mit 30 % Kurzkohlefasern, PEEK mit 22 % Kupferpulver, PEEK mit 33 % Kupferpulver und PEEK mit 40 % Kupferpulver. Die Anpresskraft hat nur bei reinem PEEK einen Effekt gezeigt. Längere Polierzeiten verringern im Allgemeinen die messbare Porosität. Längere Schleifzeiten haben eine höhere messbare Porosität zur Folge. Die erstellten Metamodelle sind jedoch statistisch nicht signifikant Haupteinfluss auf die Messverfälschung durch den Schleifprozess ist das Herausreissen von Füllstoffen während des Schleifens sowie das Beschädigen der Probenoberfläche durch Abriebe auf dem Schleifwerkzeug. Es empfehlen sich daher kurzes Schleif- und Polierzeiten sowie gründliches und regelmäßiges Reinigen und Auswechseln der Schleifwerkzeuge

Entwicklung einer Prozessführung mittels eines digitalen Zwillings zum in-situ Fügen additiv gefertigter Strukturen auf thermoplastischen Laminaten (Bachelorarbeit)

Additive Fertigung (eng.: additive manufacturing, AM) wird zunehmend genutzt, um auch in der Industrie Funktionsbauteile herzustellen. Insbesondere die Möglichkeit Bauteilgeometrien zu realisieren, welche mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht umsetzbar sind, sorgen für eine stetiges Wachstum der AM-Branche. Ein bestehender Nachteil von AM-Bauteilen aus Polymeren ist deren geringe Festigkeiten. Durch das in-situ Fügung von additiv gefertigten Strukturen auf thermoplastischen CFK-Laminaten aus dem Automated Fibre Placement (AFP) können multifunktionale, hochfeste Leichtbaustrukturen hergestellt werden. Bei CFK-Laminate, welche mittels AFP hergestellt werden, können eine Vielzahl an Oberflächendefekten prozessbedingt entstehen. Diese Defekte können die Festigkeit der Fügung mit den additiv gefertigten Strukturen schwächen. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Anpassung der additiv gefertigten Struktur an die Defekte des thermoplastischen Laminats mittels digitalen Zwilling. Zunächst wird der Einfluss verschiedener Oberflächendefekte von AFP-Laminaten auf die Scherfestigkeit der Fügung mit der additiven Struktur untersucht. Aus den Ergebnissen lässt sich dann ableiten, welche Defekte durch das additive Fügen kompensiert werden müssen. Anschließend wird eine Prozessführung konzeptioniert, die die Geometrie der AM-Struktur an die Defekte des AFP-Laminats anpasst. Eine Erprobung dieser Prozessführung zeigt eine konstantere Schichtdicke der AM-Struktur und somit bessere mechanische Eigenschaften der Fügung. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, die Adaption der untersuchten Fügetechnologie in die Industrie zu ermöglichen

Entwicklung einer integrativen Satellitenstruktur durch Einsatz additiver Fertigungsverfahren

Im Rahmen des Projektes Integrated Research Platform for Affordable Satellites (IRAS) entwickelt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) neue Bauweisen und Entwicklungsmethoden für Satellitenkonstellationen. Dabei werden verschiedene Ansätze zur kostengünstigen und automatisierbaren Produktion dieser Satelliten verfolgt. Die vorliegende Arbeit untersucht die Herstellung funktionsintegrierter Strukturbauteile für Satelliten mit Hilfe additiver Fertigungsverfahren. Im ersten Teil wird dafür eine Literaturrecherche zu dem aktuellen Stand der Forschung in diesem Bereich durchgeführt und die Ergebnisse präsentiert. Daraus wird im zweiten Teil ein Konzept für die Struktur der Satelliten zukünftiger Konstellationen erarbeitet und die dafür nötige Entwicklungsarbeit aufgezeigt. Im dritten Teil der Arbeit wird schließlich aus dem entwickelten Konzept ein erster Technologiedemonstrator abgeleitet, der mit der aktuell verfügbaren Infrastruktur der Projektpartner gefertigt werden kann. Dafür werden im ersten Schritt Machbarkeitsversuche für die additive Fertigung von Struktur- und Funktionsteilen durchgeführt. Aus diesen Erkenntnissen wird im zweiten Schritt eine Vorauslegung des Technologiedemonstrators mit der Finite Elemente Methode (FEM) erarbeitet. Um die Funktionalität der entwickelten integrierten Elektronik zu testen, wird im dritten Schritt ein erstes Versuchsbauteil gefertigt und erfolgreich einem Vibrationstest für die Weltraumqualifikation unterzogen. Die gewonnen Erkenntnisse aller Schritte werden in der Konstruktion des Technologiedemonstrators umgesetzt. Dieser besteht aus einem Sandwich mit Deckschichten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und einem additiv gefertigten Honigwabenkern. In den Wabenkern werden ein Kabelbaum mit Steckverbindern sowie Sensoren und Verbindungselemente integriert. In der vorgelegten Arbeit werden die hervorragenden Potenziale und noch bestehenden Herausforderungen von additiv gefertigten Satellitenstrukturen mit Funktionsintegration aufgezeigt

In-situ-Konsolidierung von endlosfaserverstärkten UD-Tapes auf 3D-gedruckten Kernstrukturen (Masterarbeit)

Im Rahmen des Projekts IRAS (Integrated Research Platform for Affordable Satellites) entwickelt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) neue Bauweisen und Entwicklungsmethoden für kostengünstige Satellitenkonstellationen. Diese Arbeit befasst sich mit einer neuartigen Prozesskombination aus 3D-Druck und Tapelegeverfahren (AFP), mit der Sandwichstrukturen für Satellitenbauteile gefertigt werden können. Aus dem mit Kohlenstofffasern verstärkten Hochleistungsthermoplasten PEEK werden zunächst verschiedene Kerne gedruckt. Diese weisen eine Wabenform auf und unterscheiden sich in ihrer Zellgröße und teilweise verdickten Wänden. Mit Hilfe des Tapelegeverfahrens wird eine Deckschicht aus PEEK-Prepreg-Tapes direkt auf die gedruckten Kerne aufgebracht. Die Verbindung erfolgt in-situ durch Aufschmelzen beider Komponenten mittels eines Lasers. Die Temperaturverläufe während des AFP-Prozesses werden aufgezeichnet und analysiert. Mit Scherzugversuchen und Schälversuchen wird die Verbindung anschließend geprüft. Die Untersuchungen ergeben eine Erhöhung der Festigkeit, Steifigkeit und des Schälwiderstands bei zunehmendem Oberflächenbedeckungsgrad. Die Verbindungsqualität auf physikalischer Ebene ist unabhängig vom Oberflächenbedeckungsgrad bzgl. der Festigkeit und Steifigkeit und nimmt bzgl. des Schälwiderstands mit zunehmendem Oberflächenbedeckungsgrad ab. Ein Einfluss der AFP-Temperatur auf die Festigkeit und Steifigkeit kann nicht festgestellt werden, auf den Schälwiderstand wirkt sich eine höhere AFP-Temperatur positiv aus

Optimierung eines additiv gefertigten Wabenkerns

Durch die immer größer werdende Nachfrage an individualisierbaren, massenproduzierten Satelliten durch Firmen wie SpaceX oder Samsung werden neue Anforderungen an die Satellitenkonstruktion und deren Entwicklung gestellt. Die Hauptaufgabe des Projekts IRAS ist es, die Herstellung der Satelliten kostengünstiger und zeiteffizienter zu realisieren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich innerhalb dieses Projekts mit der Optimierung additiv gefertigter Wabenkerne. Hierfür werden die Materialparameter, die zur physikalischen Beschreibung des Kerns notwendig sind, von Wabenkernen unterschiedlicher Größe mittels Druck- und Scherversuchen experimentell ermittelt. Für die Dimensionierung der Wabengröße wird die relative Dichte regelmäßiger Hexagone neu definiert. Die Ergebnisse werden hinsichtlich der theoretisch zu erwartenden Werte sowie deren Streuung untersucht. Zudem wird die Qualität der gedruckten Waben hinsichtlich der Lagenhaftung der einzelnen Schichten analysiert. Zur Optimierung der Wabenkerne wird ein Algorithmus genutzt, der im DLR intern entwickelt wurde; Für diesen Algorithmus wird der Zusammenhang zwischen der relativen Dichte und den Moduln mit einer gegebenen Ansatzfunktion erneut beschrieben. Die Dichteverteilung wird abschließend manuell zu einer Geometrie überführt und gedruckt. Die Optimierung führte zu einer Gewichtsersparnis von 24,1 %