Faserverbundkunststoffe (FVK) werden aufgrund ihrer vorteilhaften mechanischen und chemischen Materialeigenschaften bevorzugt in hochbeanspruchten Bauteilen, wie Druckbehältern als mobile Energiespeicher in der Transport- und Mobilitätsindustrie, eingesetzt. Bei der Speicherung zukunftsträchtiger Energieträger wie Wasserstoff ermöglichen FVK dabei eine Erhöhung der Energiespeicherdichte bei verringertem Gewicht und somit eine erhöhte Treibstoffeffizienz und Reichweite. Obwohl thermoplastische Kunststoffe reversibel verarbeitbar sind und eine geringere Umweltbelastung und erhöhte Recyclingfähigkeit als Duroplaste aufweisen, werden sie bisher nicht in solchen industriellen Serienanwendungen eingesetzt, da die gesicherte Herstellung derartig sicherheitskritischer Bauteile mit komplexer, dreidimensionaler Geometrie bisher nicht reproduzierbar umgesetzt werden kann. Zudem existieren keine spezifischen Konzepte für die Ausnutzung der vorteilhaften Materialeigenschaften thermoplastischer FVK.
In dieser Arbeit werden erstmals Fertigungskonzepte aufgestellt und umgesetzt, welche die Verarbeitung thermoplastischer Endlosfaserhalbzeuge im laserunter-stützten Tapewickelverfahren mit in-situ Konsolidierung berücksichtigen. So wird im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen die Designfreiheit erhöht, indem nicht-geodätische Trajektorien verwendet werden können. Diese gestatten unter anderem die Orientierung der Verstärkungsfasern auf dem Zylinder in Richtung der Hauptspan-nungsflüsse im Druckbehälter und die Vermeidung von Materialanhäufungen auf den Polöffnungen. Neben der Umsetzung von Ablage in axialer und in Umfangsrichtung wurde ein flexibles, kontinuierliches Fertigungskonzept für die vollständige Bedeckung der Druckbehälteroberfläche entwickelt und realisiert.
Für die Beherrschung des Fertigungsprozesses wurden daten- und modellgestützte Werkzeuge entwickelt und in einer adaptiven Prozesssteuerung verbunden. Ein digitaler Schatten dient der Visualisierung und zielgerichteten Auswertung von Prozessdaten, die während des laserunterstützen Tapewickelns erhoben werden. Die Identifizierung optimaler Prozessparameter wird durch ein optisch-thermisches Prozessmodell, ein inverses Modell der Lasereinstrahlungsverteilung und experimen¬telle Betrachtungen der Druckeinwirkung unter der flexiblen Andruckrolle unterstützt. Das adaptive Steuerungskonzept nutzt die gewonnen Erkenntnisse und Daten für eine zielgerichtete Prozesseinstellung entlang der Wickeltrajektorie. Eine prozesstechnologische Validierung durch Fertigung und Untersuchung von Druckbehälter-Demonstratoren konnte die Umsetzbarkeit und Effektivität der entwickelten Fertigungs- und Steuerungskonzepte abschließend bestätigen.

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Autor Schäkel, Martin
Gewicht 0.279 kg
Erscheinungsdatum 13.09.2022
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Produktionsmaschinen

Schäkel, Martin

Adaptiver laserunterstützter Tapewickelprozess für die Herstellung von Druckbehältern aus endlosfaserverstärkten Thermoplasten

ISBN: 978-3-98555-107-1
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Kurzbeschreibung

Diese Arbeit beinhaltet die Aufstellung und Umsetzung von adaptiven und optimierten Fertigungskonzepten für Faserverbundkunststoff-Druckbehälter aus thermoplastischen Endlosfaserhalbzeugen. Die Konzepte berücksichtigen die Vorteile des laserunterstützten Tapewickelverfahrens mit in-situ Konsolidierung für dreidimensionale Geometrien. Für die Beherrschung des Fertigungsprozesses wurden daten- und modellgestützte Werkzeuge in einer adaptiven Prozesssteuerung verbunden.

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