Entwicklung eines Ablegesystems zur lokalen Verstärkung von flächigen Bauteilen (Ablegesystem)

Problemstellung
Bei der Dimensionierung der Dicke eines flächigen Bauteils orientiert sich ein Konstrukteur an der höchsten auftretenden Belastung. Das bedingt, dass flächige Bauteile in den Bereichen, in denen geringere Beanspruchungen vorliegen, überdimensioniert sind. Folglich besitzen derartige Bauteile aufgrund des erhöhten Materialeinsatzes eine höhere Masse als zur Aufnahme der Belastungen notwendig ist. Gründe für dieses Vorgehen bei der Dimensionierung sind Restriktionen, welche aus den zur Verfügung stehenden Fertigungsverfahren resultieren, wobei sowohl technische als auch betriebswirtschaftliche Restriktionen ursächlich sind. Durch das Aufbringen von Verstärkungsmaterial können lokale Belastungsspitzen flächiger Bauteilstrukturen aufgenommen werden. Dieses Vorgehen ermöglicht es, die Grunddicke und somit die Masse eines flächigen Bauteils zu reduzieren. Vor allem in den Bereichen, in denen Leichtbau unabdingbar ist, wie etwa in der Luft- und Raumfahrt, können so weitere Energieeinsparpotenziale genutzt werden. Bei höchsten Leichtbauanforderungen werden flächige Bauteile meist aus Faserverbundkunststoffen (FVK) hergestellt. Hier bietet die lokale Verstärkung enorme produktionstechnologische Vorteile, so dass komplexe flächige Faserverbundstrukturen wirtschaftlich hergestellt werden könnten. Zu Beginn des Projekts gab es jedoch große Defizite hinsichtlich der erforderlichen Anlagentechnologie zur vollautomatisierten Ablage von Verstärkungsmaterial.
Projektziele
Im Rahmen des Vorhabens wurde auf Basis des durch die beiden Gründer der AFPT GmbH weiterentwickelten laserunterstützten Wickelverfahrens, ein prototypisches Systeme entwickelt, aufgebaut und erforscht, welches in der Lage ist, flächige Bauteile vollautomatisiert zu verstärken. Dieses Ablegesystem ist in der Lage, thermoplastische Kunststoffbänder mit Verstärkungsfasern, so genannte Prepregs, örtlich exakt und mit höchster Produktionsgeschwindigkeit auf ein zu verstärkendes Bauteil aufbringen.
Vorgehensweise
Ausgehend von der entwickelten laserunterstützten Wickeltechnologie wurden unterschiedliche Lösungskonzepte erarbeitet, bewertet und ihre Umsetzbarkeit in Prüfständen validiert. Die gewonnenen Erkenntnisse flossen in die mechanische und elektrotechnische Entwicklung des Ablegesystems ein. Mit dem entwickelnden Ablegesystem wurden erste Parameterstudien durchgeführt und ein Demonstrationsbauteil umgesetzt.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Neben der Verstärkung von Verbundkunststoffen kann das entwickelnde Verfahren auch zur Verstärkung von reinen thermoplastischen Kunststoffen sowie zur Verstärkung von Stahl- und Aluminiumblechen genutzt werden. Die mit Abschluss des Projekts aus der Umsetzung des prototypischen Ablegekopfs gewonnenen Ergebnisse, fließen aktuell in die Konzeption eines industriellen Ablegesystems zur lokalen Verstärkung von flächigen Bauteilen ein. Weiterhin konnten erste kundenspezifische Gesamtlösungskonzepte erarbeitet werden. Diese beinhalten neben dem Ablegesysteme auch die Umsetzung der erforderlichen Handhabungseinheit einschließlich aller Schutzeinrichtungen. Darüber hinaus bietet die AFPT GmbH die Prozessentwicklung und die Schulung des Bedienpersonals der Kunden an.

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