Open Access Artikel verfügbar: Tack of epoxy resin films for aerospace-grade prepregs: Influence of resin formulation, B-staging and toughening

Aerospace-grade prepreg resin films based on multifunctional tetraglycidyl-4,4′-methylenedianiline (TGMDA), triglycidyl p-aminophenol (TGAP), Bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA) and curing agent 4,4’diaminodiphenyl sulfone (DDS) are investigated in terms of tackiness by probe testing. The model epoxy systems are modified regarding the thermoplastic toughener content (polyethersulfone, PES) and the B-stage level, which is adjusted by cure prediction based on a model-free isoconversional method (Flynn-Wall-Ozawa). Additional DSC and rheological analysis are performed to study the thermal and viscoelastic material behavior in conjunction to its impact on temperature-dependent tack. Maximum achievable tack is found to decrease as a function of both degree of conversion and toughener content. Meanwhile, both influencing factors shift the tack maximum towards higher temperatures corresponding to increased flow characteristics attributed to evolving network formation and the incorporation of high molecular weight PES. In terms of absolute tack level and corresponding temperature, probe tack values similar to commercial prepreg systems (∼100 μJ mm2) are recorded for TGMDA-based formulations containing 10 wt% PES at 20% pre-cure. Model formulations, which have neither been exposed to B-staging nor toughened, show exceptionally high tack below room temperature for all investigated epoxy prepolymers and are therefore not considered processable by automated fiber placement.

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Open Access Artikel verfügbar: An optical-flow-based monitoring method for measuring translational motion in infrared-thermographic images of AFP processes

This paper presents a novel method for a precise localization of the automated-fiber-placement head, without the need for a data access to the machine control. It is based on a sub-pixel accurate optical-flow-algorithm which determines information about the heads movement by means of the material flow in sequences of IR images. Using local curvatures in the temperature field of the IR images, feature matrices are created which can locally be compared to the features of successive images. Thus, the translation between images become visible. This enables the possibility to perform an accurate (16.8 µm) and self-sufficient process monitoring that additionally is capable of capturing the motion and position information of the AFP system and can be linked to existing algorithms for defect detection and classification.

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Open-Acces-Artikel über den Effekt der schwingungsangeregten Konsolidierung von Thermoplast-Legeprozessen erschienen: Influence of a Dynamic Consolidation Force on In Situ Consolidation Quality of Thermoplastic Composite Laminate

For achieving high quality of in situ consolidation in thermoplastic Automated Fiber Placement, an approach is presented in this research work. The approach deals with the combination of material pre-heating and sub-ultrasonic vibration treatment. Therefore, this research work investigates the influence of frequency dependent consolidation pressure on the consolidation quality. A simplified experimental setup was developed that uses resistance electrical heating instead of the laser to establish the thermal consolidation condition in a universal testing machine. Consolidation experiments with frequencies up to 1 kHz were conducted. The manufactured specimens are examined using laser scanning microscopy to evaluate the bonding interface and differential scanning calorimetry to evaluate the degree of crystallinity. Additionally, the vibration-assisted specimens were compared to specimens manufactured with static consolidation pressure only. As a result of the experimental study, the interlaminar pore fraction and degree of compaction show a positive dependency to higher frequencies. The porosity decreases from 0.60% to 0.13% while the degree of compaction increases from 8.64% to 12.49% when increasing the vibration frequency up to 1 kHz. The differential scanning calorimetry experiments show that the crystallinity of the matrix is not affected by vibration-assisted consolidation.

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Innovative Legetechnologie: Flexible Fertigung formkomplexer Faserverbundstrukturen

Wie kann die Fertigung fortschrittlicher Großstrukturen im Faserverbundleichtbau wirtschaftlich automatisiert werden? Ist der Laminierprozess mit textilen Faserhalbzeugen auch bei formkomplexen Strukturkonzepten maschinell realisierbar? Diesen Fragestellungen stellt sich das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover im Verbund mit den Technischen Universitäten Clausthal und Braunschweig im Forschungszentrum CFK-Nord in Stade. Das Ergebnis einer dreijährigen Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist eine innovative Legetechnologie, die unterschiedliche Trockenfasertextilen in einem kontinuierlichen Prozess konfektioniert, imprägniert und fasergerecht in Formwerkzeuge auch mit hoher Formkomplexität ablegt.

Legetechnologien wie das Automated-Fiber-Placement (AFP) sind in der Luft- und Raumfahrtindustrie etablierte Fertigungsverfahren zur Herstellung von Hochleistungs-Faserverbundstrukturen. Die darin eingesetzten vorimprägnierten Faserhalbzeuge (Prepreg) sind jedoch in der Herstellung sehr kostenintensiv, müssen bis zu ihrer Verarbeitung gekühlt gelagert werden und erreichen die gewünschten Materialeigenschaften nur durch die Aushärtung im Autoklaven, einem beheizbaren Druckbehälter. Der Lagenaufbau mit trockenen Fasertextilien erfolgt hingegen in kostensensitiveren Industriebereichen wie dem Energiesektor oder Transportwesen weitestgehend händisch bevor dieser im Infusionsverfahren imprägniert wird. „Zu Projektbeginn haben wir innerhalb einer anwendungsübergreifenden Anforderungsanalyse u. a. die Produktion von Windturbinenflügeln angesehen und waren erstaunt, dass die bis zu 100 Meter langen Formwerkzeuge vollständig von Hand belegt wurden“, berichtet Projektmitarbeiter Simon Werner vom IFW.

Ziel des EFRE-geförderten Projekts FlexProCFK war die Entwicklung einer Technologie zum kontinuierlichen Nassdrapieren trockener Textilbahnen auf individuellen Strukturbauteilen. Hierbei soll das Drapiersystem flexibel auf die Ansprüche unterschiedlicher Anwendungsfelder konfigurierbar und die Technologie skalierbar sein. Demonstriert wurde die Technologie zunächst an einem neuartigen Strukturkonzept mit diagonalversteiftem Flugzeugrumpf. Besonderheit der bionisch anmutenden Versteifungsarchitektur ist ihre individuell an die Belastungssituation im zugehörigen Rumpfsegment angepasste Gestalt, sowie die Berücksichtigung textilspezifischer Fertigungsrestriktionen bei der Strukturauslegung. Projektmitarbeiter Werner: „Mit dem neuartigen Strukturkonzept und der im Projekt umgesetzten Fertigungstechnologie können wir zukünftig das Hautfeld und die Versteifungsstruktur von Flugzeugrümpfen ohne zusätzliche Nietverbindungen fügen. Mit unserer Technologie fertigen wir über die direkte Ablage der Versteifungen auf der noch unausgehärteten Rumpfaußenhaut ein Integralbauteil.“

Das Drapiersystem haben die Forscher modular aufgebaut. Das Faserhalbzeug kann vor dem eigentlichen Drapiervorgang in mehreren aufeinander folgenden Schritten vorbereitet werden. Das Textil wird dabei in seinen Drapiereigenschaften durch Vorfixierung eines Thermoplastbinders beeinflusst, auf seine Endkontur zugeschnitten und mit einer duroplastischen Matrix im Mehrdüsen-Sprühauftrag imprägniert. Herzstück der Technologie ist das letzte Modul in der Kette, das Drapiermodul. Es platziert das Faserhalbzeug auf nahezu beliebig gekrümmten Oberflächen in textilgerechter Weise. Werner: „Herausfordernd bei der Entwicklung war dabei nicht nur die Konturnachbildung der unterschiedlichen Oberflächen. Es mussten auch die Umformmechanismen des Textils während des Drapierens berücksichtigt werden“. Basierend auf einem kinematischen Textilmodell haben die Wissenschaftler den Ablageprozess simulativ nachgebildet und numerisch untersucht. „Dabei hat sich gezeigt, dass für die Umformung des Textils ein Spannungsausgleich über die Textilbreite erforderlich ist, den wir über die Ablage an einer ‚geometrieadaptiven Drapierlinie‘ realisieren konnten“, erläutert Werner.

Zur kontinuierlichen Konsolidierung des Faserhalbzeugs an der sich stetig ändernden Drapierlinie wurde ein innovatives Roboterkonzept entwickelt. „Druckluftbetriebene Kontinuumsaktoren aus dem Bereich der Soft-Robotik knicken antagonistisch zwischen positionsgebenden Zweiachs-Kinematiken aus und bilden so den gewünschten Konturzug ab“, so Werner. Das aus Elastomeren Pneumatikaktoren bestehende System stellt aufgrund der hohen Flexibilität jedoch eine Herausforderung für die Steuerungs- und Regelungstechnik dar. Steuerungsziel ist dabei der Erhalt eines gleichmäßigen Oberflächenandrucks im dynamischen Legeprozess.

Künftig soll das Legesystem seine Funktionalität in weiteren Anwendungsfeldern unter Beweis stellen. Mit den assoziierten Partnern M&D Composites Technology GmbH und SCHOTTEL HYDRO GmbH wird in dem durch den Europäischen Fond für Regionale Entwicklung geförderten Forschungsprojekt „AutoBLADE“ die Herstellung von Strukturen mit einem hohen Aspektverhältnis, wie bspw. den Rotorblättern von Gezeitenströmungsturbinen, erforscht.

Neuer Beitrag zum Thema Mischbauweisen und der Anwendung des Multilayer-Insert auf zylindrische Strukturen auf LinkedIn

Transformed #MULTILAYERINSERT to cylindrical applications:
In former work within the #SPP1712 we reported about the increase of applicable load into carbon fiber structures due the use of local metal inserts. The Mutlilayer-Insert, which we call the scalable stack of load-appropriate dimensioned thin metal sheets, consists of a complete metal-region, which makes load introduction easier having the ability to use different kinds of joining techniques known in the area of metal constructions. Some days ago, we transferred this approach to cylindrical carbon fiber structures. 

Tristan Hocke promoviert erfolgreich im Bereich Künstlicher Intelligenz

Am 21.10.2020 verteidigte Tristan Hocke, ehemaliger Mitarbeiter unserer Forschergruppe, erfolgreich seine Dissertation mit dem Titel “Klassifizierung und Untersuchung von thermografisch erfassten Fertigungsfehlern im Automated-Fiber-Placement-Prozess”. Kern der Arbeit von Herrn Hocke war es, die thermografische Prozessüberwachung durch Umsetzung von Methoden des Maschinellen Lernens und Künstlicher Intelligenz soweit zu entwickeln, dass Anomalien innerhalb der automatisierten Fertigung von Faserverbundstrukturen erkannt und eindeutig benannt werden können. Mit seiner Arbeit liefert er einen sehr wichtigen Beitrag zur Steigerung der Prozesssicherheit der Fertigungstechnologie.

Wir gratulieren ganz herzlich zu diesem Erfolg!

Open-Acces-Artikel über Prepreg Tack erschienen: A review of mechanisms, measurement, and manufacturing implication

The stickiness of prepregs (tack) is considered a decisive material property for the success of high‐quality composite manufacturing by automated lay‐up processes such as automated fiber placement (AFP) or automated tape laying (ATL). Adverse control of prepreg tack can easily result in laminate defects or machine breakdown, which are highly undesirable considering the tremendous machinery and material costs of these processes. Prepreg tack is governed by a complex interaction of adhesive and cohesive phenomena that are influenced by machine and environmental parameters of the production process as well as by intrinsic properties of the prepreg material itself. This review aims at providing a condensed insight into the current state of research on prepreg tack. Therefore, experimental studies including the discussion of utilized tack measurement methods as well as model approaches to prepreg tack are reviewed. The findings are discussed against the background of fundamental mechanisms, the strong interdependency of influencing parameters and the challenge of translating measured tack data into an enhanced AFP/ATL process stability by process adjustment. 

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Neuer Beitrag zum Thema Mischbauweisen auf LinkedIn: Our high performance Composite Joining Method #MULTILAYERINSERT has gotten even better:

The approach of scalable load introduction allows, due to the use of local metal inserts, increased strength and a calculable failure behavior. The HPCFK Multilayer-Insert is capable to withstand loads up to 20 kN in-plane. Compared to the load capacity of a pure carbon competitor with 5 kN the applicable load could be increased to 4 times. The investigated Multilayer-Insert samples failed to bearing stress in the metallic region without noteworthy impacting the surrounding composite structure. In contrast, the composite specimen show a massive damage of the fiber structure. Thus, this hybrid joining element helps to reduce the number of necessary joins and in this way prevents the composite structure from up to 75% less structural unfavorable drill holes.

Besides the here shown prepreg application, the Multilayer-Insert is also available for infusion processes and further fiber materials like glass fiber reinforced plastics. Find out more at http://hpcfk.de/multi-layer-inserts-mli/