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Folie 1 > Abt 43511 > Dr. Dudenhausen> 06.05.2009
Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung
Rechnergestützte Bauteilgestaltung
Aspekte der automatisierten Fertigung von Faserverbundstrukturen
Dr. W. Dudenhausen
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Folie 2 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Forschungsschwerpunkte der AbteilungRechnergestützte Bauteilgestaltung
Hochleistungs-Leichtbau-Strukturen für die Luftfahrt und den Verkehr
• Allgemeine duromere Faserverbundstrukturen
• Allgemeine thermoplastische Faserverbundstrukturen
• Strukturen für die Verkehrstechnik
• Triebwerksstrukturen
• Hochauftriebsstrukturen
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Folie 3 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Rechnergestützte Bauteilgestaltung
Der Schwerpunkt liegt auf:
• Verarbeitung von Harzsystemen mit Glaspunktstemperatur TG > 250°C für polymere Hochleistungs- und Hochtemperatur-Strukturen in Kombination mit Metallen,
• Vakuuminfusionsverfahren (VARI) für großflächige Luftfahrtbauteile,• Endlosfaser verstärkte Thermoplaststrukturen aus CF-PEEK vorwiegend in der Luftfahrt,
• Auslegung und Fertigung von stehenden und rotierenden Strukturen im Triebwerk,• Bereitstellung von Prozessketten vom Entwurf bis zum fertigen Bauteil für faserverstärkte Bauteile im Flugzeug und im Triebwerk,
• Online-Monitoring der angewandten Verfahren und zur Qualitätssicherung,• Technologietransfer patentierte Verfahren.
Konstruktion, Herstellung und Fertigungsautomatisierung von faserverstärkten Polymerbauteilen für die Luftfahrt und Triebwerke.
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Folie 4 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
B737-300 B747-400
B787
A300 A310-200
A320 A340-300A340-600
A380
MD80B757 B767 MD90
B777
A400M
A350 XWB
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Jahr des Erstfluges
Fas
erve
rbun
dant
eil a
m S
truk
turg
ewic
ht
Bildquelle: Airbus
Entwicklung des Einsatzes von CFK im Flugzeugbau
A380
A350
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Folie 5 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
J-Nose
Sektion 19.1
Seitenleitwerk
Höhenleitwerk
Sektion 19DruckschottFlügelrippenFlügelkasten
Bildquelle: Airbus
Leichtbau durch Carbonfaser-Kunststoffverbunde (CFK)Airbus A380 – CFK-Anteil 22%
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Folie 6 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Carbonfaser-Kunststoffverbund (CFK)Schritte zur Herstellung von Faserverbundbauteilen
Quellen: Carbon Composites, Neobotix, Premium Aerotec, DLR
Vorbereitung
Ablegen in die Form- Gewebe - Tapes
InfiltrationAushärtung
BearbeitungFormgebung
Infiltration mit Vakuum, autoklavlos- Gewebe, NCF- Tape, Autoklav
WärmebehandlungEntformenFräsen, Bohren, Besäumen
- Automatisierter Zuschnitt von textilen Halb-zeugen, Prepreg
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Folie 7 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Bildquelle: Flugrevue A350XWB
480 Flugzeuge pro Jahr
480 Rümpfe
> 40.000 Spante> 100.000 Stringerelemente
1920 Flügelhalbschalen> …
480 Seitenleitwerke> …
960 Höhenleitwerke> …
Entwicklung des Einsatzes von CFK im Flugzeugbau
d.h. Zielkadenz: 40 Flugzeuge im Monat
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Folie 8 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Polymere CFK-Struktur
Tempern
Bearbeitungstechnolgie
Vakuum-infusion
Resin Transfer Molding
Vakuum-Konsolidieren
Rovingwickelnund Tapelegen
Heisspress-technik
Autoklav-prozess
Rechnergestützte Bauteilgestaltung
Auslegung und Berechnung
Fertigungs-Technologie
Bauteile für Luftfahrzeuge und Triebwerke
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Folie 9 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Automatisierungsmöglichkeiten
Analyse der Produkte:
• Fertigungsprozesse
• Fertigungstechnologie
• Komplexitätsgrad der Bauteile
• Mitarbeiterqualifikation
• Stückzahlen
• ….. U.v.m.
Hugh Sung
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Folie 10 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
C-Holme
Rippen
Studie zur Serienfertigung von Rippen und C-Holmen mit VARI für ein Airliner-Seitenleitwerk
Vakuum unterstütztes Harzinfusionsverfahren (VARI)
Demonstrator für ein neuartiges Rumpfkonzept
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Folie 11 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Man
ufac
turin
g C
ost (
%)
Prepreg ThermosetVersion
ThermoplasticPEEK Version
Labour CFRP Tooling
Vakuum Konsolidierungsverfahren mit Endlosfaser verstärkten Thermoplasten
2,75
m
Kalkuliert von EADS-M
� Senkung der Fertigungskosten um ca. 28 % gegenüber der Duromer-Variante
� InSitu-Konsolidierung und Fügung
� Schweißverfahren für Thermoplaste
Beispiel: Seitenruder für ein generisches Kampfflugzeug
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Folie 12 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Thermoplast-Technologie für Triebwerke
• Fan-Schaufel in Hybrid-Bauweise aus Titan/CF-PEEK
• Reduktion der rotierenden Massen und Schwerpunkts-verlagerung für stärker geschränkte Blätter
• Rechenverfahren zur Auslegung hybrider Strukturen
DLR-Studie
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Folie 13 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Zweistufiger Niederdruckverdichter
Fanblatt in Hybridtechnologie durch Konsolidieren von CF-
PEEK auf Titan
Verbesserung und Modifikation der
Anbindung
Adaption der Hybridstruktur durch
Schweißtechnik
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Folie 14 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Herstellung des NDV - Fanblattes
• Herstellung der Blattvorderkante bzw. der Konsolidierungsform mit Hilfe von Stereolitho-graphiemodellen
• Keramische Formentechnologie:
• Kostengünstig und hochtemperaturtauglich
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Folie 15 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Herstellung des NDV - Fanblattes
• Reales Lagenstacking innerhalb einer Keramikform
• Simulation des Lagenaufbaus als Basis für entsprechende NC-Programme zum Beschnitt der UD-Prepreglagen
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Folie 16 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
VITAL strukturelles OGV
DLR Konzept:
• Nutzung hybrider Bauweisen basierend auf den Erfahrungen aus dem NDV (Gewichts und Kostenreduktion)
• Auslegung der Strukturen mittels entwickeltem Strukturmodell
• Bündelung der Kompetenzen von BK und WF zur Demonstration der Leistungsfähigkeit von Hybridstrukturen
Serienaspekt: 1000 Triebwerke mit 32 Schaufeln pro Jahr ergibt 32.000 Schaufeln = 87 Schaufeln pro Tag (365 Tage)
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Folie 17 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Infiltrationsaufbau vor dem Einpacken
CAD-Ansicht des Werkzeugesflexibles Seiten-werkzeug (rot)mit Stahlkern (grün)
700 mm
Beispiel: PI-Sektionen für strukturelle Anwendungen
� Infiltrationswerkzeug für die Pi-Sektion (EU-Projekt MoJo)
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Folie 18 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
� Verifikation der Herstellung und des Werkzeugkonzepts für MOBA Muschelschale
Beispiel: Druckschott mit doppelt gekrümmter Schale und Rippen
• Drapierung von NCF auf verrippte Membranoberfläche
• Untersuchung der lokalen Unstetigkeiten
Größe: ca. 4m x 2,50m
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Folie 19 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Beispiel: Zugschnauze New Generation Train mit Impactschutz
� Fertigung einer NGT-Nasenkappe in vorhandener Form (Low Budget)
Demonstrator aus GFK mit infiltriertem Kettengeflechtzur Erhöhung der Impact-Sicherheit des GFK
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Folie 20 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Computersimulation und reale Welt
Fertigungs- und Konstruktionsumgebung im Rahmen der automatisierten Fertigung (bis 1999)
Computer-
Simulations-Zelle
Fertigungs-Zelle
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Folie 21 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
NX2 NX4 NX6…
DXFIGES
STEP 203
STEP 214
VAD/FS
NeutraleEbene
Pre-Processor
Geometrie
NC3 Achs5 Achs
Roboticsbis UG16
RobCAD(Tecno-matix)
UG/SolidEdge-Prt
MSC/ Patran
AnsysPre-
SIMPACK
MSC/ Nastran
Ansys ESILS-Dyna
PER-MAS
Dyna-3D
Solver
Ansys PostMSC/PatranPost-Processor
IGES
Datenschnittstellen, Pre- und Postprozessoren
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Folie 22 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Wickeln ebener Laminate mit einem Industrieroboter
• Simulation des Wickelvorganges mit Kollisionsprüfung und Pfadoptimierung (links)
• Arbeitsvorbereitung und Justierung am Industrieroboter (rechts)
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Folie 23 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
• Belegen von Flächen mit biegeschlaffen Zuschnitten.
• Abziehen von Folien von klebrigen und nichtklebrigen Prepregs.
• Gezieltes Aktivieren und Deaktivieren von Klebrigkeit.
• Einfügen von vorgefertigten Bauelementen und Versteifungen.
• Handhaben von Waben und Paketieren.• Montagehilfe, Einfügen von
vorgefertigten Bauelementen und Versteifungen.
Endeffektor zum Abziehen von Deckfolien vom Prepreg
Technisches KonzeptHandhabung
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Folie 24 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Technikumsanlage bei IBK
� Tapelegen mit Tapelegkopf (75mm)
� Herstellen gekrümmter Strukturen mittels Prepregtapes (1988-1996)
� Stapeln von MAG
� Roboterzelle mit Endeffektor z.B. Folienabzug
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Folie 25 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Fertigungsentwicklung für kostengünstige Faserverbundstruktuen
• Ablegen von uni-direktionalen Tapes (Prepregs und trockenen Halbzeugen) in Paketen z.B. für Triebwerksteile.
• Kombination des Tapeablegekopfesmit der rotierenden Achse der Wickel-einheit.
• Verwendung von polymeren Harz-systemen für Einsatztemperaturen über 150° C
• Online-Monitoring durch Video-Bildanalyse
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Folie 26 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Bereich zur
Spaltanalyse
Spalt unterschiedlicher Breite
Qualitätssicherung (Online)
Spalterkennung
• Übertragung von Laborversuchen auf den Fertigungsablauf.
• Versuch der Integrationder numerischen Spalterkennung auf die Positionsbestimmung des Tapeablegekopfes.
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Folie 27 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Qualitätssicherung (Online)
Fehlstellenerkennung
• Versuch durch Fehlstellenerkennung die Fertigungsqualität des Tapeablegekopfeszu beurteilen.
• Reaktionen für den nächsten Arbeitsschritt ableiten und an die Steuereinheit übertragen.
Bereich der
Blasenanalyse
Situationsabhängige Reaktion
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Folie 28 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
� Konzeptvorschläge für die Außenstelle Augsburg des ZLP
Planung Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP)
• Erarbeitung von Hallenausnutzungs-plänen
• Konzeptionelle Fertigungsplanung am Beispiel eines Rumpfsegmentes
• Akquisition des Vorhabens AZUR-ZLP mit 2,5 Mio € für FA und BK
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Folie 29 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Automatisierte CFK-Produktionstechnologie
Von der Manufaktur und Teilautomation… .. zur automatisierten Produktion
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Folie 30 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Automatisierte CFK-ProduktionstechnologieKooperierende Robotersysteme
• Kooperative, anta-gonistische und flexible Roboter-systeme
• Bahnoptimierung
• Dynamik und Steuerungs-algoritmen
• Sensortechnik
• Rückkoppelnde Positioniersysteme
• Endeffektoren(Ablageköpfe, etc)
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Folie 31 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Automatisierte CFK-ProduktionstechnologieEndeffektor-Technologie
Bildquelle: Coriolis SA
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Folie 32 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Vision: Fertigungszelle mit kommunizierenden Roboto ren
� Formpositionierung und Formenbewegung
� Ablegen von textilen Halbzeugen und Inserts
� Applizieren mittels Endeffektoren
� Sensorsteuerung und Überwachung
� Hallenglobale Positions-überwachungund Positionsvorgabe mittels lasergestütztem Messverfahren
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Folie 33 > Abt 43511 > Dr. DudenhausenGedanken zur Autom. Fertigung > 06.05.2009
Wir forschen für fliegende Bauweisen und Konstruktionen
Abteilung Rechnergestützte Bauteilgestaltung
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
Wir arbeiten interdisziplinär, weil wir von einander lernen
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Folie 34 > Abt 43511 > Dr. Dudenhausen> 06.05.2009
Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung
Bauweisen Kolloquium 2009
Herzlich Willkommen im DLR Standort Stuttgart