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Open Access Artikel verfügbar: Representative structural element approach for assessing the mechanical properties of automated fibre placement-induced defects

In this paper, a 3D finite element modelling approach is presented to assess the effects of manufacturing defects within composite structures. The mesoscale modelling approach derives the stress-strain response of a composite structure from a representative structural element. A set of tensile and bending loads is used to compute its ABD-Matrix. The boundary conditions of the model are described in detail as is the extraction of the strain and curvature response. The derived stiffness from the presented modelling approach is compared to the classical lamination theory and the models’ shortcomings are discussed. Finally, the influence of a gap, an overlap and two different-sized fuzzballs on the macroscopic mechanical properties of a composite structure are evaluated using the presented multiscale modelling approach, thereby providing stiffness matrices influenced by the defects for the use in global models of composite parts.

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Abschlussworkshop JoinTHIS: abschließendes Treffen zwischen Industriepartnern und Forscherverbund

Wie lassen sich recyclingfähige thermoplastische Faserverbundwerkstoffe energieeffizient herstellen? Dieser Frage ging der Forscherverbund HPCFK in den vergangenen drei Jahren im Rahmen des interdisziplinären Projekts „JoinTHIS“ nach. Am 9. Februar 2023 wurden dann die Ergebnisse im Rahmen eines abschließenden Workshops den Partnerinnen und Partnern aus Industrie und Forschung vorgestellt. Ausgewählte Ergebnisse von der Strukturauslegung unter Berücksichtigung von prozessinduzierten Bauteileigenspannungen über die Modellierung und Charakterisierung materialinhärenter Konsolidierungsmechanismen bis hin zur Vorstellung des neu entwickelten Legekopfes für die laserbasierte in-situ Herstellung thermoplastischer Faserverbundstrukturen wurden vorgestellt. In gemeinsamer Diskussion wurden Erkenntnisse geteilt und Perspektiven der thermoplastischen Faserverbundproduktion einer sich wandelnden Mobilitätsbranche erarbeitet. Im Anschluss daran fand in dem kürzlich bezogenen Neubau am CFK Nord eine Live-Vorführung der neuen Technologie statt.
Wir danken allen Teilnehmerinnen und Teilnehmern für den intensiven Austausch. Ferner richtet sich der Dank an das Land Niedersachsen und den Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) für die Förderung des Projekts.

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Die Forschung wächst, die Adresse bleibt – HPCFK zieht in neue Forschungseinrichtung am CFK Nord in Stade

Der von der Stadt Stade initiierte Erweiterungsbau auf dem Gelände des CFK Nord im Ottenbecker Damm wurde im Juli fertiggestellt und konnte an die Betreibergesellschaft übergeben werden. Das interuniversitäre Forscherteam der Technischen Universität Clausthal, der Technischen Universität Braunschweig und der Leibniz Universität Hannover konnte dann im August die neuen Räumlichkeiten beziehen.

Mit dem Umzug in den hochmodernen Büro- und Hallenkomplex stehen ab sofort weitere Kapazitäten für Forschung und Entwicklung im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe zur Verfügung. Neben einer Vergrößerung der Büroräumlichkeiten ist durch den Umzug in den energieeffizienten Neubau ebenfalls die zur Verfügung stehende Maschinen- und Anlagenfläche gestiegen. Es steht nun mehr als doppelt so viel Fläche für die Entwicklung und den Betrieb von innovativen Prüfständen für grundlegende und anwendungsorientierte Forschungsarbeiten zur Verfügung.

Die neuen Kapazitäten erlauben neben der universitären Forschung auch den Ausbau der industriellen Forschung. Fragestellungen aus den Bereichen der Werkstoffwissenschaften, der Strukturauslegung und der Produktion können mit modernster Analytik, neuesten Softwaretools und der praxisnahen Umsetzung in Prüfständen sowohl in geförderten Kooperationsprojekten als auch innerhalb eines Dienstleistungsauftrages beantwortet werden. Wir unterstützen Sie dabei von der Planung Ihres Vorhabens mit der Wahl möglicher Förderinstrumente über die Entwicklung geeigneter Untersuchungsstrategien bis zur Umsetzung in digitale oder analoge Prototypen.

 

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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 mm−2) 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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Erfolgreiche Promotion von Joscha Krieglsteiner im Bereich der produktionsgerechten Gestaltung von Flugzeugstrukturen

Am 16.05.2022 verteidigte Joscha Krieglsteiner, ehemaliger Mitarbeiter unserer Forschergruppe, erfolgreich seine Dissertation mit dem Titel “Algorithmusbasierte Konzeptauswahl in der Integrierten Entwicklung produktionsgerechter Leichtbaustrukturen aus Faser-Kunststoff-Verbund”. Kern der Arbeit von Herrn Krieglsteiner war der Entwurf einer Methodik zur aufwandsarmen und rechenzeiteffizienten Erzeugung, Bewertung und Auswahl von Leichtbaustrukturalternativen und ihrer Prozessketten innerhalb den frühen Entwurfsphasen einer interdisziplinären Strukturbauteilentwicklung.

Mit seiner Arbeit, die im Rahmen des DFG Projekts ProDesign – “Integrierte Methode für Prozessplanung und Strukturentwurf im Faserverbundleichtbau” entstand, liefert er einen sehr wichtigen Beitrag für den methodisch unterstützten produktionsgerechten Entwurf von Flugzeugstrukturen.

Wir gratulieren ganz herzlich zu diesem Erfolg!

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WorkBoat365 berichtet über unser Projekt EvoFoil

Gemeinsam mit unseren Partnern Sustainable Marine und M&D Composites Technology haben wir den ersten großen Meilenstein im kanadisch-deutschen ZIM-Projekt „EvoFoil“ erreicht, nachdem statische Biegetests an dem neuen 4,3 m langen CFK-Gezeitenturbinenblatt erfolgreich abgeschlossen wurden. Die Aufgabe des IFW in dem Projekt ist die Erforschung einer standzeitoptimierten Hybridstruktur, die in der Blattwurzel zur Anbindung an die Rotornabe eingesetzt werden soll. Zu dessen Auslegung ist die Kenntnis der lokalen Blattbeanspruchung von großer Bedeutung, weshalb das IFW während der Biegetests quasikontinuierliche Dehnungsuntersuchungen mit dem faseroptischen Messsystem Luna ODiSI durchgeführt hat.
Das hochsensible Messverfahren ermöglicht die Aufnahme von Dehnungs- und Temperaturänderungen mit einem Messpunktabstand von 0,65 mm. Aufgrund des geringen Querschnittes lassen sich faseroptische Sensoren auf der Oberfläche oder auch innerhalb von Bauteilen applizieren, ohne das makroskopische Verhalten wesentlich zu beeinflussen.

Link zum Messverfahren: Ausstattung – Niedersächsische Forschungskooperation zur Hochleistungsproduktion von CFK-Strukturen (hpcfk.de)

Link zum Artikel: Sustainable Marine Reports First Major Milestone in Canadian-German EvoFoil Collaboration – Workboat365.com

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ZIM-Projekt MaNuK – Magnetische Nutverschlusskeile gestartet

Das Konsortium des Forschungsprojektes MaNuK – „Magnetische Nutverschlusskeile im kontinuierlichen Produktionsverfahren“ startet am 24. Februar im Rahmen eines Kick-Offs offiziell seine Arbeit.
Nutverschlusskeile werden in elektrischen Maschinen mit offenen Nuten im Blechpaket eingesetzt, um die Wicklung zu fixieren und zu schützen. Die weiten Nutöffnungen im Blechpaket, welche den magnetisch wirksamen Luftspalt zwischen Stator und Rotor vergrößern bewirken lokal eine unerwünschte Schwächung des Magnetfeldes. Dem wirken magnetische Nutverschlusskeile durch verbesserte Flussführung entgegen. Das Resultat ist vor allem die Reduzierung des benötigten Magnetisierungsstromes und folglich ein besserer Leistungsfaktor sowie eine Wirkungsgradsteigerung der Maschine.
Die heute verfügbaren magnetischen Nutverschlusskeile weisen jedoch erhebliches Verbesserungspotenzial hinsichtlich der magnetischen Leistungsfähigkeit und ihrer mechanischen Eigenschaften auf – durch verfrühtes Versagen sind sie häufig Ursache von Anlagenstillschäden und -stillständen.
Das Projekt MaNuK ist ein Kooperationsprojekt der Partner M&D Composites Technology GmbH, Schill & Seilacher „Struktol“ GmbH, Fisco GmbH, dem Institut für Antriebsysteme und Leistungselektronik (IAL) der Leibniz Universität Hannover und dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK) der TU Clausthal. Das Projekt wird durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Dabei liegen die Schwerpunkte des PuK in der Erforschung der wechselseitigen Beziehungen von Füllstoffkonditionierung, Aufbau des magnetischen Nutverschlusskeils und seiner magnetischen Eigenschaften, welche die Grundlage bildet für den neuartigen strukturellen Aufbau des Nutverschlusskeils und die Entwicklung eines neuen, kontinuierlichen und deutlich wirtschaftlicheren und ressourceneffizienteren Herstellungsprozesses, mit denen die bisherigen Nachteile behoben werden sollen.

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Berücksichtigung der Herstellbarkeit bei der Optimierung unkonventioneller Flugzeugstruktur

Der Einsatz der Topologieoptimierung im Flugzeug-Vorentwurf verspricht hohe Gewichtseinsparungen im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise. Allerdings erschweren die resultierenden, unkonventionellen Anordnungen der Rumpfversteifungen die Auswahl, Auslegung und Fertigung von möglichen Versteifungslayouts. Im DFG-Projekt #OptiFee forscht Tim Tiemann vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover in Kooperation mit Lisa Reichert vom Institut für Flugzeugbau und Leichtbau der TU Braunschweig an der Entwicklung einer integrierten Methode, die den Einsatz einer Layout-Topologieoptimierung in Kombination mit einer Herstellbarkeitsbewertung im Vorentwurf erstmals ermöglichen will. Das Ziel ist, die Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Strukturmasse, Herstellkosten und Herstellbarkeit von nicht detailliert auskonstruierten Versteifungslayouts zu verstehen. 

Link zum Beitrag: Berücksichtigung der Herstellbarkeit bei der Optimierung unkonventioneller Flugzeugstruktur (industryarena.com) 

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Interview zum Contiuous Wet Draping in der Composite World

Kürzlich berichteten Simon Werner und Marco Bogenschütz in einem Interview mit der Composite World von ihrer Forschung zum kontinuierlichen Nassdrapieren (engl. Continuous Wet Draping). Die neuartige Technologie ist derzeit Gegenstand des interdisziplinären Forschungsprojekts AutoBlade, das die Herstellung von Carbon-Rotorblättern für Gezeitenkraftwerke unter Berücksichtigung von spezifischen Material- und Strukturanforderungen in einem automatisierten Prozess vorsieht. Das Projekt wird durch den Europäischen Fond für regionale Entwicklung und das Land Niedersachsen gefördert .  Modular draping system shows potential for wrinkle-free, automated dry fiber layup | CompositesWorld