AGRILIGHT – BMWi bewilligt 1,8 Mio. Euro für Leichtbauforschung in der Landmaschinentechnik

Leichtbau für starke, tonnenschwere Maschinen: IFW und PuK überführen gemeinsam mit Landmaschinenhersteller Krone und dem Leichtbauexperten M+D Composites Technology GmbH den Feldhäcksler BiG X in ein Leichtbaukonzept. 

In den vergangenen Jahrzehnten ist die Leistungsfähigkeit landwirtschaftlicher Erntemaschinen stark gestiegen. Größere Feldabschnitte werden durch größere und schwerere Maschinen in einem Arbeitsgang bearbeitet. Das gestiegene Gewicht bringt die Hersteller jedoch an die Grenzen der straßenverkehrsrechtlichen Zulässigkeit. Und: Anwender sehen sich mit einer stärkeren Bodenverdichtung auf den Agrarflächen konfrontiert.

In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit 1,8 Mio. Euro geförderten Projekt AGRILIGHT sollen Leichtbautechnologien zu einem niedrigeren Gesamtgewicht des BIG X beitragen und so den bestehenden Konflikt auflösen, indem der ein-tonnenschwere Hauptrahmen des Feldhäckslers in ein Leichtbaukonzept überführt wird.

Die Projektpartner wollen in dem jüngst gestarteten Forschungsprojekt zunächst das Strukturkonzept des schweren Hauptrahmens sowie anliegender Funktionseinheiten analysieren und grundlegend in einen faserverbundgerechten, funktionsorientierten Leichtbau-Strukturentwurf aus Glasfaser- und Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen neu aufbauen.

Eine besondere Herausforderung ist die Vielzahl an unterschiedlichen Fügestellen, deren beanspruchungsgerechte Überführung in das neue Leichtbaukonzept unter Berücksichtigung der verschiedenen neuen Werkstoffe und deren, zum Teil grundlegend unterschiedlichen, mechanischen, elektrischen und chemischen Materialeigenschaften erfolgen wird. Da bestehende form-, kraft- und stoffschlüssige Fügemethoden beibehalten werden sollen, erhält die Faserverbundstruktur in den Anbindungsbereichen einen hybriden Strukturaufbau. Grundlage dafür stellen die im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1712 Intrinsische Hybridverbunde erlangten Erfahrungen mit der Multilayer-Insert-Technologie dar. 

Gleichzeitig verlangen Faserverbunde andere Fertigungsverfahren, bieten damit aber auch neue Formgebungsmöglichkeiten, wie z. B. aus der Luftfahrt bekannt. Es werden von M+D unterschiedliche Bauweisen konzipiert und bewerte, von differentiellen Strukturkonzepten, die mit herkömmlichen Faserverbundhalbzeugen einen sehr flexiblen Aufbau erlauben, bis hin zu hochintegralen Monocoque-Lösungen, bei denen ein fasergerechter Entwurf seine Vorzüge im Hinblick auf den Leichtbau und die maximale Gewichtsreduktion ausspielen kann.

Schlussendlich wird das neue Leichtbau-Rahmenkonzept in einem praxisnahen Validierungsexperiment von Krone in Zusammenarbeit mit allen Partnern untersucht. Hier werden unterschiedliche Belastungsszenarien des realen Einsatzes in einem dafür konzipierten Prüfstand simuliert. Aus den hier gewonnenen Testergebnissen leiten die Projektpartner fundierte Aussagen über eine mögliche Serientauglichkeit des Leichtbaurahmens ab. Gelingt es, den Rahmen mittels neuer Verbundstoffe und neuer Formgebung deutlich leichter zu gestalten, wäre dies ein wegweisender Schritt für die gesamte Landtechnikbranche.

Sustainable Marine adopts German Aerospace and Wind Energy Technology to advance Tidal Turbine Blades

Together with our partners from  and  we started the project #EVOFoil optimizing the performance of tidal turbine foils for renewable #TidalEnergy, financed by the National Research Council of Canada (NRC) and the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi). Our research is focused on a new material concept to improve the mechanical behavior of the foil to counteract the various loads under seawater conditions. This implicates the adoption of the hybrid technology #Multilayer-Insert to enable the load carrying areas of the foil to be partially reinforced with thin metallic sheets, improving adaption to the turbine drive shaft boosting durability and strength.
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Open-Acces-Artikel über das kontinuierliche Drapieren formkomplexer Faserverbundstrukturen erschienen: Development of a Shape Replicating Draping Unit for Continuous Layup of Unidirectional Non-Crimp Fabrics on Complex Surface Geometries

The manufacturing of large-scale structural components is still dominated by manual labor in many sectors of the modern composite industry. Efforts are being made to establish an automated layup technology for complex structural elements. Processing dry non-crimp fiber fabrics (NCF) offers great cost opportunities and high deposition rates, compared to prepreg-based technologies like automated fiber placement (AFP). Here, the fabric architecture is considered during the draping of the plane textile on curved surfaces. In this paper, the development of a draping unit for balancing fabric tension and consolidating continuously across the layup width is presented. We introduce a geometrical process model to achieve a fabric-friendly draping of the used unidirectional NCF. The shape of the resulting draping front depends on the surface geometry, the shearing of the previously laid-up textile, and the positioning of the material feed. To consolidate the fabric at the altering draping front in an automated layup process, the shape of the continuous consolidation element can be controlled by the elongation of serial soft actuators, manipulated by parallel robot kinematics. The shape replication ability of the draping unit is promising for the implementation of a continuous, fabric-friendly draping process for complex surface geometries.

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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.

Open-Acces-Artikel über die Simulation von Eigenspannungen in geschweißten Thermoplast-Strukturen erschienen: Numerical Investigation of Residual Stresses in Welded Thermoplastic CFRP Structures

Using thermoplastics as the matrix in carbon fiber-reinforced polymers (CFRP) offers the possibility to make use of welded joints, which results in weight savings compared to conventional joining methods using mechanical fasteners. In this paper, the resulting temperature distribution in the material due to resistance welding is investigated by transient finite element (FE) simulations. To examine the effects on the component structure, a numerical modeling approach is created, which allows determining the residual stresses caused by the welding process. It is shown that the area of the structure, especially near the joining zone, is highly affected by the process, especially in terms of residual stresses. In particular, the stresses perpendicular to the fiber direction show failure relevant values, which might lead to the formation of microcracks in the matrix. In turn, that is assumed to be critical in terms of the fatigue of welded composite structures. Thus, the suggested modeling approach provides residual stresses that can be used to determine their effects on the strength, structural stability, and fatigue of such composite structures.

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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!

Neuer Beitrag zum Thema Energieeffizient und ressourcenschonend: Thermoplastische Faserverbundkunststoffe auf LinkedIn

Some days ago, we put our latest experimental fiber placement rig into operation. It is part of the research project #JoinTHIS, in which we, among other things, develop and investigate the lay-up of #ThermoplasticComposites. Core of our self-developed fiber placement head is a 2,4 kW #VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) laser from TRUMPF. While the head is currently under construction, the laser was proved and tested successfully.