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Open Access Artikel verfügbar: Adhesion-cohesion balance of prepreg tack in thermoset automated fiber placement. Part 1: Adhesion and surface wetting

The constitution of prepreg tack in automated fiber placement (AFP) is affected by a sensitive balance between adhesive interfacial bond strength and cohesive strength of the prepreg resin. In an effort to explore the role of interfacial liquid-solid interaction on the tack of commercial aerospace-grade epoxy prepreg, a surface wetting analysis was performed on AFP-related substrates. The standard test liquid combination water/diiodmethane and extracted neat epoxy resin were used for contact angle measurement employing the sessile drop method and the Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK) model. Additional rheological and topographical analyses were carried out to account for viscous resin flow on surfaces of different roughness. The results from the material characterization are discussed against the background of tack measurement by probe tack testing utilizing a rheometer. Significant differences between the investigated surfaces in terms of both the maximum tack level and the onset temperatures of adhesion were found as a function of test parameters relevant for contact formation. General agreement with the experimental tack results was observed employing a topographically extended version of the Dahlquist criterion. For each substrate, a temperature-dependent critical storage modulus could be determined that conforms to the onset temperature of tackiness. Contact angle measurements revealed a correlation between the thermodynamic work of adhesion and maximum tack and, moreover, the tack onset in the adhesive regime when additionally incorporating surface topography. Matching ratios of polar and dispersive surface free energy and surface tension components were found to favor the molecular interaction at the interface between prepreg resin and substrate.

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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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Kooperationsprojekt BionicWalker zur Entwicklung und Erforschung einer neuen prothetischen Versorgung für Patienten mit Teilfußamputationen gestartet

Unter Leitung der REHA – OT Lüneburg Melchior & Fittkau GmbH wird seit dem 01.08.2021 im Rahmen eines vom zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) geförderten, zweijährigen Kooperationsprojekts eine neue prothetische Versorgung für Patienten mit Teilfußamputationen entwickelt.

Die Aufgabe der neuen prothetischen Versorgung besteht in der Wiederherstellung einer normalen, dynamischen und symmetrischen Gangabwicklung für Patienten nach Teilfußamputationen, um Folgebeschwerden durch Gangveränderungen zu vermeiden und ihnen zu ermöglichen, schneller in den gesellschaftlichen und beruflichen Alltag zurückzukehren. Erreicht wird die wesentliche Funktion des Produkts durch ein spezielles Federelement aus carbonfaserverstärktem Kunststoff, das die Charakteristik der nicht mehr vorhandenen anatomischen Strukturen nachbildet. Genau wie bei einem gesunden Bewegungsapparat wird ein Teil der kinetischen Energie beim Auftreten während des Gehens als potenzielle Energie in dem Federelement gespeichert. Beim erneuten Abheben des Fußes dient die komprimierte Feder der Unterstützung des Patienten und verringert den erforderlichen Kraftaufwand.

Ausgehend von einer ganganalytischen Ermittlung der medizinischen Anforderungen findet innerhalb des Kooperationsprojekts die komplette Entwicklung, Fertigung und Zusammenführung aller Komponenten zu einem Demonstrator statt. Dessen Funktionsfähigkeit und Wirkung wird über statische und zyklische Versuche in einer Prüfmaschine, über mehrachsige Versuche mit einem Industrieroboter sowie realitätsnahe Versuche im Ganglabor nachgewiesen. Bereits jetzt ist ein Patent für das Produkt in Beantragung.

Um die interdisziplinären Herausforderungen zu meistern, sind neben der REHA OT – Lüneburg Melchior & Fittkau GmbH als Industriepartner die Zeisberg Carbon GmbH aus Hannover und die OK Gummiwerk Otto Körting GmbH aus Hameln an diesem Projekt beteiligt. Als Forschungspartner bringen das Institut für Flugzeugbau und Leichtbau der TU Braunschweig und das Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik der TU Clausthal, die gemeinsam als Teil der im Forschungszentrum CFK Nord in Stade ansässigen Niedersächsischen Forschungskooperation zur Hochleistungsproduktion von CFK-Strukturen (HP CFK) auftreten, sowie das Institut für Orthopädische Bewegungsdiagnostik (OrthoGO) der Medizinischen Hochschule Hannover ihre Kompetenzen ein. Das Konsortium wird administrativ unterstützt durch die Wirtschaftsförderungs-GmbH für Stadt und Landkreis Lüneburg (WLG).

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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.

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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.
See the entire press release at our partners website.

 

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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.

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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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