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Leitprojekt CFK Rumpf NG

15.02.2011 von 09:00 Uhr – 17:00 Uhr Golden Tulip Hamburg

Abschlussworkshop CFK-Rumpf NG

Produktionsprozessbeschleunigung durch neue Technologien mit erhöhter Flexibilität und Genauigkeit

Dr. M. Kleineberg, T. Ströhlein, M. Danilov, S. Niemann, M. Opitz

Leitprojekt CFK Rumpf NG 2

Einleitung

Forschungsperspektive für das Projekt CFK-Rumpf NG:Weitgehend konventionelle Kurz- und Mittelstreckenkonfiguration

Als besondere Herausforderung wurden folgende Aspekte identifiziert:

Darstellung einer Produktionsrate (PR) von 40 Flugzeugen pro Monat

Minimierung der Recurring (RC) und Non-Recurring Cost (NRC)

Sources: AIRBUS, BOEING, NASA

B737-300 B747-400

B787

A300 A310-200

A320 A340-300A340-600

A380

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A400M

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1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015Year of First Fight

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A350XWB

B787

Ersatz der „Single Aisle“Modellreihenab 2018 erwartet


Einleitung

Forschungsansatz: Analyse der Fertigungsprozesskette für typische CFK Rumpfbauteile

Rohmaterial

Faser

Faser+Matrix

Lagenaufbau

Preforming

HotformingOptimierungsspotential:

Schnelle BinderaktivierungVorteil: PR

Aktivierung dicker LagenaufbautenVorteil: PR, RC

Optimierungsspotential:

Schnelle Erwärmung und AbkühlungVorteil: PR, RC

MultifunktionaleFormwerkzeugeVorteil: NRC

LCM

PREPREG

Prozessierung

Harzinfusion + Härtung

Härtung

14%

40%20%

1%

25%

(26 Parts)

Prozessierung


Härtung

14%

40%20%

1%

25%

(26 Parts)

Prozessierung


Härtung


Einleitung

Ergebnis der Technologieanalyse:

Elektromagnetische Strahlung kann berührungslos, selektiv und verzögerungsfrei zur volumetrischen Erwärmung genutzt werden

Im Rahmen von CFK-Rumpf NG untersuchte Frequenzbereiche:

Induktion (8-30 kHz)Mikrowelle (2,4 GHz)

Durch formvariable Formwerkzeuge kann die Auslastung erhöht werden (Investitionsabschreibung), es können Anschlussmaße feinjustiert werden und es gibt Vorteile in der Fertigungslogistik

Im Rahmen CFK-Rumpf NG untersuchte Formwerkzeuge:

Einfach/zweifach gekrümmte und modulare Formwerkzeuge




Forschungsthema – Induktionsgestütztes Preforming Steffen Niemann, Tobias Ströhlein


Einleitung

Problemstellung

Infusionsverfahren können bei geeigneten Anwendungen bedingt durch günstigere Halbzeuge wesentlich wirtschaftlicher sein

ABER: Verarbeitung der trockenen Halbzeuge zu reproduzierbaren Preforms mit Stand-der-Technik Binder und Nähtechnik ist zeitaufwändig bzw. technisch aufwändig für 3D Aufgaben

LÖSUNG: Kontrollierte Aktivierung schmelzbarer Binderkomponenten über starke elektromagnetische Felder


Das Prinzip der InduktionWechselstrom

Elektro- magnetisches

Feld

Preform

Induktor

Pyrometer

Prinzip des induktiven PreformingEine von Wechselstrom durchflossene Spule sendet ein elektro-magnetisches Wechselfeld aus (Induktor).Die Faserpreform wird diesem Wechselfeld ausgesetzt.Drei Effekte bewirken unterschiedlich stark die Erwärmung des elektrisch leitenden Fasermaterials.Indirekt wird über die Erwärmung der Fasern ein thermoplastartiger Binder aufgeschmolzen, der nach dem Abkühlen die Faserlagen miteinander verbindet.

Abb.: Wikipedia


Untersuchung/Methodik

StrategieUntersuchung der Erwärmungsmechanismen

Analyse der Energieeinkopplung in Standard-LaminataufbautenVariation von verschiedenen Preformparametern (Lagenorientierung, Lagenanzahl, Halbzeugart, Kompaktierungsart, etc.)Vergleich der induktiven Erwärmung mit Stand-der-Technik Technologien (Drapiereisen, Ofen)Nachweis der Nichtschädigung von Faser und Schlichte



Einsatz und Erprobung der Technologie inrepräsentativen Industrieanwendungen

Einsatz der induktiven Erwärmung über handgeführte Induktoren(zur lokalen Erwärmung, lagenweiser Aufbau einer Preform, etc.)

temperaturgesteuerte Erwärmung mittels Messung der Oberflächentemperatur

Einsatz eines anlagengesteuerten Induktors

Verfahren des Induktors und integrierte Induktionsregelung mittels Oberflächentemperaturmessung



Einsatz und Erprobung der Technologie anbeispielhaften Industrieanwendungen

Betrieb eines Induktors als Endeffekttor an einem Mehrachsroboter

Robotergeführt und temperaturgesteuert über Oberflächentemperatur-Messung

Integration der induktiven Erwärmung in eine kontinuierliche Preformanlage

kontinuierliche Herstellung von MAG- Faserpreforms inklusive Materialspeicherung, Zuführung, Umformung und Konsolidierung

Automatisierte Preform Prototypenanlage


Ergebnisse

Vergleich von konventioneller undinduktiver Erwärmung

Aufheizraten von 40 K/sec können erreicht werdenMehrere Faserlagen können in einem Schritt erwärmt werdenErhebliche Produktivitätssteigerungen möglich

Nachweis der Nichtschädigung der Schlichte und Fasern

mittels REM – erfolgtmittels mechanischer Kennwerte – erfolgt

V3.11 - dynamic - 15 plies24 kHz - 500‰ - 30 mm/sec

0

20

40

60

80

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120

0 5 10 15 20

Time/sec

Tem

pera

ture

/°C

50 mm100 mm150 mm200 mm250 mm300 mm

Measurements in last ply

distance


Ergebnisse

Vergleich der Ergebnisse mit den Zielen

Induktive Erwärmung von Faserpreforms bis zu 10 mm Dicke und 2 m/min in einem Arbeitsgang

Induktion ist prädestiniert zur Erwärmung von trockenen Kohlenstofffaserhalbzeugen, da:

Hohe EnergieeffizienzEnorme Anpassbarkeit der Induktoren an AnwendungenExzellente Steuerbarkeit des Energieeintragshohe Arbeitssicherheit


Zusammenfassung

Ergebnisse in Stichworten

Preformqualitätssteigerung durch hohe Reproduzierbarkeit

Kostenreduktion durch kurze Belegzeiten und niedrige Anlagenkosten

Produktivitätssteigerung durch verzögerungsfreie Einkopplung

Sicherheitssteigerung durch unkritische Anlagentechnik


Ausblick

Technologische Erweiterungsmöglichkeiten

Spezialisierte Spulen mit angepasster Kühlung vergrößern das AnwendungsspektrumUntersuchung von höherfrequenten Wechselfeldern ermöglicht eine gezielt selektive Einkopplung z.B. in PartikelPartielle Preformfixierungen lassen sich effizient mit sequentiellen Preformanlagen kombinieren

Anwendungsbezogene Erweiterungsmöglichkeiten

Die Induktion lässt sich zur kontrollierten Heizung von Formen, Formkernen oder gezielt von ferromagnetischen Oberflächen einsetzen


ForschungsteamExperte für InduktionstechnikTobias StröhleinTel.: 0531/[email protected]

Experte für AutomatisierungstechnikSteffen NiemannTel.: 0531/[email protected]

2. Platz JEC Award 2008

mailto:[email protected]





Forschungsthema – Mikrowellenprozessierung Maksim Danilov, Philipp Hilmer


Einleitung

Problemstellung

Mehr als 90% der Energie geht in die Heizung der Vorrichtungen und nicht wie eigentlich beabsichtigt in die Vernetzungsreaktion. Aufgrund der Möglichkeit zur selektiven, volumetrischen Erwärmung sollte der Einsatz der Mikrowellentechnik eine erhebliche Verbesserung der Energieeffizienz ermöglichen

Luftfahrttypische Polymerisationsprozesse basieren auf der konvek- tiven Erwärmung (Luftzirkulation) in einem Autoklaven oder Ofen. Die Vermeidung eines Mediums zur Energieübertragung sollte eine Verkürzung der Zykluszeiten durch weitgehend trägheitsfreie Wärmeübertragungsmechanismen ermöglichen


Das Prinzip der Mikrowelle

Prinzip des MikrowellenprozessierungEin von einem Magnetron erzeugtes,

hochfrequentes Wechselfeld interagiert selektiv mit verschiedenen Werkstoffen

Flächige Metalle und Werkstoffe mit hoher Leitfähigkeit reflektieren Mikrowellenstrahlung

Amorphe Werkstoffe wie Glass und Keramik sind zumeist durchlässig für Mikrowellenstrahlung

Dipolare Materialien wie Wasser und Epoxidharze werden im Wechselfeld angeregt und somit erwärmt

Mikrowellenenergie kann in Strukturen einkoppeln, die als Antenne wirken.

Transparenz:z.B. Glass, Keramik, diverse Kunststoffe

Reflektion:z.B. Metallbleche, Metallgitter

Absorption:z.B. Wasser, Epoxidharz

Antennenwirkungz.B.Metallgabel,Thermoelemente,Leitfähige Fasern



Die Arbeiten sind unterteilt in 3 Arbeitspakete:

Schale versteift/unversteift PrepregEine schwach gekrümmte und ggf. stringerversteifte Schale aus vorimprägniertem Material (Prepreg) sollte mittels Mikrowellentechnik dielektrisch bis zur vollständigen Polymerisation erwärmt werden. Die Herausforderung dabei war der Bau von geeigneten FormwerkzeugenSchale versteift/unversteift LCMNeben der Aushärtung war die Werkzeugauslegung unter Berücksichtigung des Infiltrationsprozesses eine besondere Herausforderung MikrowellenautoklavUm eine zusätzliche Kompaktierung der Lamiante zu ermöglichen, wurde der Mikrowellenautoklav genutzt und auf seine Effizienz hin untersucht


Ergebnisse

Arbeitspaket Schale versteift/unversteift Prepreg

Stringer und Schale wurden getrennt voneinander gefertigt, wobei die Fertigungsversuche zufriedenstellend verlaufen sindStringerfertigung:

Es existieren Einschränkungen hinsichtlich des Stringer-Profils. Es wurde keine zufriedenstellende Möglichkeit gefunden T-förmige Stringer herzustellenOmega-Stringer (mit verlorenem Kern aus Rohacell oder mehrfach verwendbarem Kern aus Silikon) lassen sich problemlos fertigen

Folgende Erkenntnisse wurden gewonnen:Herkömmliche metallische Formwerkzeuge sind für die Fertigung im Mikrowellenfeld nach geringfügiger Anpassung geeignet Abb.: Omega-

Stringer


Ergebnisse

Arbeitspaket Schale versteift/unversteift LCM

Ein Omega-Stringer wurde auf der ebenen Platte drapiert und fixiert. Beide Komponenten wurden infiltriert und ausgehärtetFolgende Erkenntnisse wurden gewonnen:

Werkzeugintegrierte Harz- und Vakuumleitungen sind am besten geeignetExterne Leitungen, die mit einem Vakuumteller direkt über dem Laminat enden, neigen zur Übertemperierung und setzen die Prozesssicherheit herab

Abb.: Omega-Stringer versteifte Platte, hergestellt mittels LCM-Verfahren


Ergebnisse

Arbeitspaket Mikrowellenautoklav

Im Verlauf der Arbeiten wurde festgestellt, dass die Konstruktion des Mikrowellenautoklaven aufgrund ihres hohen Wellen- widerstandes keinen guten Wirkungsgrad zulässt. Die Auslegung und die Anordnung der Mikrowellenquellen ist zu verbessernBasierend auf einer numerischen Feld- simulation wurden Konzepte zur (Neu-) Auslegung der Mikrowellenquellen erarbeitetAutoklavgeeignete Werkzeuge und Vorrichtungen wurden konstruiert und im atmosphärischen Ofen getestet

Abb.: Mikrowellenautoklav


Zusammenfassung

Prozessierung von repräsentativen CFK Bauteilen nachgewiesen

Richtlinien für metallische und nichtmetallische Formwerkzeuge erarbeitet

Metall und Nichtmetallformwerkzeuge erfolgreich erprobt

Richtlinien für Vakuum- und Harzkanäle erarbeitet

Temperaturüberwachungskonzepte erfolgreich erprobt

Maßnahmen zur Steigerung der energetischen Effizienz erarbeitet


Ausblick


Verbesserung der energetischen Effizienz durch:Verlustoptimierte Weiterleitung der MikrowellenstrahlungReflexionsarme dielektrische Erwärmung von el. leitfähigen Laminaten


Durch die Zugrundelegung einer konkreten Anwendung lassen sich die geometrischen Randbedingungen des Bauteiles mit den mikrowellenspezifischen Anforderungen harmonisieren


ForschungsteamExperte für MikrowellentechnikMaksim DanilovTel.: 0531/[email protected]

Experte für MikrowellentechnikPhilipp HilmerTel.: 0531/[email protected]

Abb.: dielektrisch ausgehärtete Schale, Forschungsteam






Forschungsthema – Flexible Formwerkzeuge Mark Opitz, Markus Kleineberg


Einleitung

Problemstellung:

Formwerkzeuge binden einen Großteil der Investitionen zu einer Zeit, wo die finale Geometrie der herzustellenden Bauteile noch Änderungen unterworfen sein kann

Laminat- bzw. prozessabhängige Deformationen werden zum Teil nur unzureichend bei der Formwerkzeugkonstruktion berücksichtigt und können nicht immer nachträglich korrigiert werden.

Der Logistik- und Investitionsaufwand bei der Herstellung und Ver- waltung von Formwerkzeugen für Komponenten mit großer Stückzahl und geringen geometrischen Abweichungen ist enorm hoch.

Durch die ständige Zyklierung können sich Formwerkzeuge geometrisch verändern


Das Prinzip flexibler Formwerkzeuge

Flexibilität von FormwerkzeugenGlobale Flexibilität kann durch

Verformung mithilfe von Aktuatoren im elastischen Bereich erreicht werden. Es ist sinnvoll eindimensionale und zweidimensionale Verformungen zu unterscheiden

Lokale Flexibilität kann durch eine Variation von Formkernen erreicht werden

Durch modulare Basiswerkzeuge können sowohl globale als auch lokale Formwerkzeugvarianten gebildet werden

Foto: Airbus Family Day

Typ. Bauteile:Stringerversteifte Schalen undSpantsegmente



Die Arbeiten sind in 3 Bereiche unterteilt:

Formvariable einfach und zweifach gekrümmte FormwerkzeugeFEM Untersuchung unterschiedlicher AktuatorkonfigurationenErarbeitung von Aktuatorkonzepten zur kontrollierten VerformungErprobung der Konzepte an flexiblen Prototypenformwerkzeugen

Elastische FormkerneFür die flexiblen Prototypenformwerkzeugen wurden geeignete Kernkonzepte mit angepasster Flexibilität entwickelt

Modulare BasisformwerkzeugeAls größte Herausforderung bei den modularen Basisformwerk- zeugen wurden prozesssichere Dichtungskonzepte identifiziert


Ergebnisse

Untersuchungen zur Konfiguration von Aktuatoren

Die eindimensionale Verformung eines ebenen Formwerkzeug ist problemlos möglich

Die Analyse der Bauteilelastizität von Omega- Stringern ergab, das die Geometrieabweichungen (im mm Bereich), aus der diskreten Anzahl von Aktuatoren, unerheblich sindDie ermittelten Kräfte sind gering und bei typischen Wandstärken sind keine Verstärkungen im Krafteinleitungsbereich erforderlich

Aktuatorkräfte im Bereich von 0,1-2,5kN

7 x 2 Aktuatoren


Ergebnisse

Untersuchungen zur Konfiguration von Aktuatoren

Die zweidimensionale Verformung eines ebenen Formwerkzeug ist äußerst komplex da sich die Krümmungen gegenseitig massiv behindern

Bei flächigen Strukturen ist bei größeren Verformungen mit deutlichen Konturabweichungen außerhalb der elastischer Korrekturmöglichkeiten zu rechnen Die ermittelten Kräfte sind hoch und bedingen gesonderte Maßnahmen im Krafteinleitungsbereich Ansätze mit elastisch gekoppelten Flächenelementen und verteilter Aktuatorik sind möglicherweise zielführend

Aktuatorkräfte im Bereich von 3-11kN

7 x 4 Aktuatoren

Verteilte, exzentrische „In Plane“ Aktuatorik


Ergebnisse

Erprobung flexibler Formwerkzeuge für Omega-Stringer

Flexibles Stringer-FormwerkzeugDie Simulationsergebnisse ließen sich bei den untersuchten Verformungen bestätigenDie prozesstaugliche Aktuatorik war manuell mit entsprechendem Zeitaufwand justierbarDie Temperierung über ein Heizzelt wies zum Teil erhebliche Temperaturabweichungen auf


Ergebnisse

Erprobung flexibler Formwerkzeuge für Omega-Stringer/Spante

Elastischer FormkernDie geraden Formkerne aus Hochtemperaturkunststoff konnten der gekrümmten Kontur problemlos folgenDie Kerne haben sich als Prozessstabil erwiesen und zeigten in den Versuchen keine Anzeichen von VerschleißAngusskanäle lassen sich in die Formkerne integrieren


Ergebnisse

Untersuchung modularer Basisformwerkzeuge für die Fertigung von Spantfamilien (LCF-Integralspanten)

DichtungskonzepteGeeignete Dichtungsmaterialien für 180°C Prozesse sind verfügbarDerzeit ist der Einsatz von Einwegdichtungen im direkten Infusionsbereich sicherer als der Mehrfacheinsatz von harzkontaminierten Dichtungen. Ein Mehrfacheinsatz scheint aber möglich zu sein.Eine prozesssichere Dichtigkeitsanalyse über das Messen eines Prüfvakuums ist über die gesamte Prozesszeit möglichWenn nicht vermeidbar sind auch T-Stöße von Dichtungen möglich


Zusammenfassung

Ebene, lineare flexible Formwerkzeuge sind für die Produktion nutzbar

Doppelt gekrümmte flexible Formwerkzeuge sind problematisch

Multifunktionale flexible Formkernkonzepte wurden erfolgreich erprobt

Prozesssichere Dichtungen für Basisformwerkzeuge wurden entwickelt

Das Prinzip der Prüfvakuummessung minimiert Formwerkzeugrisiken


Ausblick


Flexible, zweidimensional gekrümmte Formwerkzeuge mit akzeptablen Formabweichungen werden weiterhin untersucht

Dichtungsmaterialien und flexible Kernwerkstoffe, die eine größere Anzahl von Prozesszyklen sicher überstehen sind absehbar


Modulare Basisformwerkzeuge für Bauteilfamilien können zu einer Reduktion des Investitionsrisikos beitragen, da eventuell nur noch einzelne Module an neue konstruktive Randbedingungen oder prozessbedingte Deformationen angepasst werden müssen


ForschungsteamExperte für FormwerkzeugkonzepteMark OpitzTel.: 0531/[email protected]

Experte für FaserverbundtechnologieMarkus KleinebergTel.: 0531/[email protected]




Resümee

Forschungsperspektive für CFK-Rumpf NG:Durch industriestrategische Neuausrichtungen wurde die Priorität der mittelfristigen Entwicklung eines neuen Single Aisle Rumpfes verringert.

Die Forschungsergebnisse aus dem Projekt CFK-Rumpf NG lassen sich allerdings in hohem Maße auf andere Forschungsperspektiven übertragen

Forschungsansatz:Die Entwicklungen zu den aus der Analyse der Prozesskette identifizierten Themen wurden mit unterschiedlichen Reifegraden abgeschlossen.

Die Entwicklungen zum Thema „Induktionsgestütztes Preforming“ und zum Thema „Flexible Formwerkzeuge“ konnten auf ein hohes Niveau der technologischen Reife gebracht werden und stehen für Anwendungen bereit

Die Entwicklungen zum Thema „Mikrowellenprozessierung“ sind sehr viel stärker an eng gefasste Spezifikationen gebunden und daher nicht vergleichbar einfach in eine Anwendung überführbar


Resümee

Verwertung der ErgebnisseDie vorgestellten Projekte sind in hohem Maße mit anderen Internationalen (z.B. EU-FP6 und EU-FP7) und nationalen Förderprojekten (z.B. LUFO IV) verlinkt, in denen die jeweiligen Verwertungsperspektiven ausgewiesen wurden.

Weiterführung der AktivitätenDas DLR als Großforschungseinrichtung ist in der Lage, Innovationen bis zu einem TRL von 6 zu begleiten, sofern geeignete Anwendungen und Entwicklungspartner vorhanden sind.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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